一种微小材料分析方法及其使用的多频段声表面波传感器

1.本发明属于声表面波传感器技术领域，具体涉及一种多频段声表面波传感器及检测方法。


背景技术：

2.在生物诊断中，研究人员为捕获和富集细胞做出了大量的努力，可以使用的方法包括免疫磁分离到密度梯度离心和微流控分离等，捕获后如何研究微小细胞的特性又是一个难题。传统上，由于缺乏工具和方法来达到更小的维度，生物细胞分析一般是在大的细胞群中进行的，这导致研究人员主要用平均值来解释结果，而在细胞水平上的变化是无法观察到的。因此，近年来，表征微小材料的特性显得尤为重要，生物传感器在这方面的进展可以帮助研究人员了解发生在微米级别上的行为。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种多频段声表面波传感器及检测方法。
4.一种微小材料分析方法，采用声表面波传感器进行分析；所述的声表面波传感器包括衬底、容纳腔，以及分别作为输入电极和输出电极的两个叉指电极。容纳腔设置在衬底上。两个叉指电极均设置在衬底上，且分别布置在容纳腔的两侧。叉指电极包括叉指宽度不相同的n个信号收发段，n≥2。
5.该微小材料分析方法包括以下步骤：
6.步骤一、将被测材料放置在容纳腔中。
7.步骤二、向其中一个叉指电极中施加调制信号。调制信号通过n个频率不同的正弦波信号叠加得到；n个正弦波信号的频率与叉指电极上的n个信号收发段的共振频率分别相同。采集另一个叉指电极的接收信号。分别提取出调制信号与接收信号之间的n个不同频率正弦波信号的相位差。
8.步骤三、将步骤二得到的n个相位差分别代入不同频率对应的相位差-杨氏模量关系曲线，得到n个杨氏模量估计值。根据n个杨氏模量估计值，判断被测材料的抗变形能力。
9.作为优选，步骤三中，取n个杨氏模量估计值的平均值作为测得的被测材料的杨氏模量。
10.作为优选，不同频率对应的相位差-杨氏模量关系曲线通过使用多种杨氏模量已知的材料在声表面波传感器中标定得到。
11.作为优选，n个信号收发段对沿着远离容纳腔的方向依次排列。
12.作为优选，所述容纳腔的长度为16μm～24μm，宽度为16μm～24μm，深度为4μm～12μm。
13.本发明一种多频段声表面波传感器，包括衬底、容纳腔，以及分别作为输入电极和输出电极的两个叉指电极。容纳腔设置在衬底上。容纳腔的长度为16μm～24μm，宽度为16μm～24μm，深度为4μm～12μm。两个叉指电极均设置在衬底上，且分别布置在容纳腔的两侧。叉
指电极包括连接在一起的n个信号收发段，n≥2。n个信号收发段对沿着远离容纳腔的方向依次排列。n个信号收发段的叉指宽度不相同。
14.作为优选，所述的容纳腔通过在衬底刻蚀的方式形成。
15.作为优选，沿着远离容纳腔的方向，同一叉指电极上n个信号收发段的叉指宽度依次增大。
16.作为优选，信号收发段的数量n等于4；四个信号收发段的电极对数依次为10、10、16、16。四个信号收发段的叉指宽度依次为4μm、4.44μm、5μm、5.7μm。
17.本发明具有的有益效果是：
18.1.本发明将表面波传感器引入微小材料的杨氏模量测量中，利用两个叉指电极之间不同频率对应的相位差，精准获得了微小材料的杨氏模量，实现了对微小材料的定量分析。
19.2.本发明在表面波传感器的叉指电极上设置多个不同共振频率的信号收发段，从而将不同频率电信号均高效转化为声表面波信号，进而获得多频段的相位差参数，提高所得微小材料杨氏模量的准确性。
附图说明
20.图1a为本发明提供的声表面波传感器的整体结构示意图；
21.图1b为本发明提供的声表面波传感器的容纳腔所在局部的结构示意图；
22.图2a为本发明中施加到作为输入电极的叉指电极上的时间域激励信号图；
23.图2b为本发明中作为输出电极的叉指电极输出端的时间域接收信号图；
24.图3a为图2a对应的时间域激励信号的实时相移图；
25.图3b为图2b对应的时间域接收信号的实时相移图；
26.图4为不同频率的时间域激励信号与时间域接收信号的实时相位差图；
27.图5为本发明提供的声表面波传感器的s21参数曲线图；
28.图6为本发明提供的声表面波传感器的多频率提取绝对相位与杨氏模量的关系图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明作进一步说明。
30.实施例1
31.如图1a和1b所示，一种多频段声表面波传感器，包括衬底1、容纳腔2，以及分别作为输入电极和输出电极的两个叉指电极。容纳腔2开设在衬底1的中部。容纳腔2通过在衬底1刻蚀的方式形成。容纳腔2的长度为16μm～24μm，宽度为16μm～24μm，深度为4μm～12μm。容纳腔2的尺寸十分小，可以用作捕获微小材料，例如细胞、溶液等材料。声表面波经过容纳腔2，由于容纳腔2内的材料与衬底1的材料的差异，会导致声波的速度、传播角度发生变化，从而导致接收端叉指电极3接收到的电信号相位特性发生变化。
32.两个叉指电极3均设置在衬底1上，且对称布置在容纳腔2的两侧。叉指电极3分为连接在一起的四个信号收发段。四个信号收发段对沿着远离容纳腔2的方向依次排列，且叉指宽度依次增大。四个信号收发段的电极对数依次为10、10、16、16。四个信号收发段的叉指
宽度依次为4μm、4.44μm、5μm、5.7μm。在相应的尺寸下，四个信号收发段的共振频率依次为200mhz、180mhz、160mhz、140mhz。
33.四个信号收发段分别为第一信号收发段3-1、第二信号收发段3-2、第三信号收发段3-3和第四信号收发段3-4；本实施例提供的声表面波传感器的s21参数如图5所示。
34.在进行检测时，将被检测的微小材料或细胞放置在容纳腔2中，向作为输入电极的叉指电极3施加输入频率为200mhz、180mhz、160mhz、140mhz的正弦波信号叠加后得到的时域电信号。该时域电信号如图2a所示，其实时相移情况如图3a所示；时域电信号在逆压电效应的作用下，转换成衬底1材料的形变，具体表现成声表面波与体声波在衬底1材料中传播。体声波耗散在衬底1材料内部。声表面波在衬底1的表层传播，传输到作为输出电极的叉指电极3，在压电效应将形变转换成电信号，被作为输出电极的叉指电极3接收到并输出。在200mhz、180mhz、160mhz、140mhz的正弦波信号叠加后得到的时域电信号施加完成后，输出电极的叉指电极3共接收到四个频率的调制信号。输出电极接收到的调制信号如图2b所示，其实时相移情况如图3b所示。
35.每个频率信号首次出现最大信号的时间均不同；计算每个频率信号到达的时间t如下：
36.t＝cavw/v0+(2
·
l1+l2+gap-cavw)/v137.其中，gap为两个叉指电极3中间位置的延迟线的距离；l1为在表面声波传播方向上，除所计算频率外的其他频率叉指电极的叉指宽度之和；l2是被测频率信号对应的信号收发段的叉指宽度；v0为声表面波在容纳腔2中的传播速度，v1为声表面波在衬底1中的传播速度。因此，由此可见，容纳腔2材料会影响信号传播的时间，进而改变在输出端接收到的电信号的相位。
38.本实施例中四个频率的输入信号与输出信号之间的相位差如图4所示。频率分别为200mhz、180mhz、160mhz、140mhz的四个正弦波信号，在输入电极与输出电极之间的正弦波信号依次为101.7
°
、68.07
°
、139.89
°
、-191.544
°
，可以看出，相位差呈现了随频率增大而增大的趋势。
39.实施例2
40.一种多频段声表面波传感器，本实施例与实施例1的区别在于：叉指电极3分为连接在一起的五个信号收发段。五个信号收发段通过调节叉指宽度，使得其共振频率依次为200mhz、190mhz、180mhz、160mhz、140mhz。
41.使用不同杨氏模量的材料放置在容纳腔中，并测量两个叉指电极3在输入200mhz、190mhz、180mhz、160mhz、140mhz正弦信号时的相位差；针对每个频率的正弦信号对应的相位差与杨氏模量之间的关系，分别拟合成关系曲线，所得结果如图6所示。
42.在测量杨氏模量位置的微小材料时，将被测材料放入容纳腔中，向其中一个叉指电极3输入200mhz、190mhz、180mhz、160mhz、140mhz正弦信号叠加形成的调制信号；从另一个叉指电极3采集接收信号。提取出输入的调制信号与接收信号之间，200mhz、190mhz、180mhz、160mhz、140mhz正弦信号对应的相位差；将所得五个相位差分别代入对应频率的关系曲线中，得到杨氏模量。
43.取所得五个杨氏模量的平均值，作为被测材料的杨氏模量。此外，还可以通过其他方式从五个杨氏模量中选取或计算出被测材料的最终的杨氏模量；可见，本发明能够利用
声表面波准确获得微小材料的杨氏模量。

技术特征：
1.一种微小材料分析方法其特征在于：采用声表面波传感器进行分析；所述的声表面波传感器包括衬底(1)、容纳腔(2)，以及分别作为输入电极和输出电极的两个叉指电极(3)；容纳腔(2)设置在衬底(1)上；两个叉指电极(3)均设置在衬底(1)上，且分别布置在容纳腔(2)的两侧；叉指电极(3)包括叉指宽度不相同的n个信号收发段，n≥2；该微小材料分析方法包括以下步骤：步骤一、将被测材料放置在容纳腔(2)中；步骤二、向其中一个叉指电极(3)中施加调制信号；调制信号通过n个频率不同的正弦波信号叠加得到；n个正弦波信号的频率与叉指电极(3)上的n个信号收发段的共振频率分别相同；采集另一个叉指电极(3)的接收信号；分别提取出调制信号与接收信号之间的n个不同频率正弦波信号的相位差；步骤三、将步骤二得到的n个相位差分别代入不同频率对应的相位差-杨氏模量关系曲线，得到n个杨氏模量估计值；根据n个杨氏模量估计值，判断被测材料的抗变形能力。2.根据权利要求1所述的一种微小材料分析方法，其特征在于：步骤三中，取n个杨氏模量估计值的平均值作为测得的被测材料的杨氏模量。3.根据权利要求1所述的一种微小材料分析方法，其特征在于：不同频率对应的相位差-杨氏模量关系曲线通过使用多种杨氏模量已知的材料在声表面波传感器中标定得到。4.根据权利要求1所述的一种微小材料分析方法，其特征在于：n个信号收发段对沿着远离容纳腔(2)的方向依次排列。5.根据权利要求1所述的一种微小材料分析方法，其特征在于：所述容纳腔(2)的长度为16μm～24μm，宽度为16μm～24μm，深度为4μm～12μm。6.一种多频段声表面波传感器，包括衬底(1)、容纳腔(2)和两个叉指电极(3)；其特征在于：容纳腔(2)设置在衬底(1)上；容纳腔(2)的长度为16μm～24μm，宽度为16μm～24μm，深度为4μm～12μm；两个叉指电极(3)均设置在衬底(1)上，且分别布置在容纳腔(2)的两侧；叉指电极(3)包括连接在一起的n个信号收发段，n≥2；n个信号收发段对沿着远离容纳腔(2)的方向依次排列；n个信号收发段的叉指宽度不相同。7.根据权利要求1所述的一种多频段声表面波传感器，其特征在于：所述的容纳腔(2)通过在衬底(1)刻蚀的方式形成。8.根据权利要求1所述的一种多频段声表面波传感器，其特征在于：沿着远离容纳腔(2)的方向，同一叉指电极(3)上n个信号收发段的叉指宽度依次增大。9.根据权利要求1所述的一种多频段声表面波传感器，其特征在于：信号收发段的数量n等于4；四个信号收发段的电极对数依次为10、10、16、16；四个信号收发段的叉指宽度依次为4μm、4.44μm、5μm、5.7μm。

技术总结
本发明公开了一种微小材料分析方法及其使用的多频段声表面波传感器。该微小材料分析方法包括以下步骤：一、将被测材料放置在容纳腔中。二、向其中一个叉指电极中施加调制信号。调制信号通过n个频率不同的正弦波信号叠加得到；采集另一个叉指电极的接收信号。分别提取出调制信号与接收信号之间的n个不同频率正弦波信号的相位差。三、将步骤二得到的n个相位差分别代入不同频率对应的相位差-杨氏模量关系曲线，得到n个杨氏模量估计值。根据n个杨氏模量估计值，判断被测材料的抗变形能力。本发明将表面波传感器引入微小材料的杨氏模量测量中，利用两个叉指电极之间不同频率对应的相位差，实现了对微小材料的定量分析。实现了对微小材料的定量分析。实现了对微小材料的定量分析。


技术研发人员：叶博雅 轩伟鹏 孙玲玲 陈津 姜英琪 黄汐威
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/22