基于纳米ZnO薄膜的Love模声表面波生物传感器的研究

【摘要】： 本文主要研究ZnO/SiO_2/Si层状结构Love模式SAW生物传感器的模拟与优化。通过数值求解声表面波器件的数学模型,给出器件各项性能与器件结构的关系,并实现器件整体性能的最优化,为生物传感器的制作和应用提供理论依据和数据支持。论文内容包含如下几个方面: 1、利用机电耦合场方程和Navier-Stokes方程来描述各层中的位移函数和电势函数,建立了ZnO/SiO_2/Si层状结构声表面波生物传感器的理论模型,并给出不同配置和不同条件下的边界条件。 2、讨论了用于微质量探测的ZnO/SiO_2/Si层状结构Love模式SAW器件的模拟与优化。利用边界条件数值求解机电耦合场方程,给出机电耦合系数、质量灵敏度、温度稳定性等参数与器件结构之间的关系。缓冲层SiO_2薄膜的加入使器件的质量负载灵敏度得到进一步提高,通过调整两导层的厚度可以使生物传感器获得最大灵敏度:当SiO_2薄膜和ZnO薄膜厚度分别为012、0.013倍波长时,最大灵敏度可达到1294.43 cm2/g。综合考虑各种性能及各种参数,最后给出器件的整体优化,我们可以在0.04~0.06倍波长范围内选取ZnO薄膜的厚度,并通过计算选取适当厚度的SiO_2薄膜。 3、讨论了用于液体粘度探测的ZnO/SiO_2/Si层状结构Love模式SAW器件的模拟与优化。利用边界条件求解机电耦合场方程和Navier-Stokes方程组成的方程组,给出器件性能各参数与器件结构之间的关系。综合考虑各种性能及各种参数,最后给出器件的整体优化方案。我们可以在0.022~0.053倍波长范围内选取ZnO薄膜厚度,并通过计算选取适当厚度的SiO_2薄膜。 4、研究ZnO/SiO_2/Si双导层结构器件中各层初始应力对器件性能的影响,首次给出缓冲层中初始应力与器件性能之间的关系,并指出各导层中初始应力对器件性能的影响依赖于器件各层内声波功率流密度的分布。