应用于健康医疗的新型声表面波传感器及微流器件的研究.pdfVIP

应用于健康医疗的新型声表面波传感器及微流器件的研究.pdf

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黄淑毅、石麟、郭鹏、王光明、许宏升、伍婷等师弟师妹与我一起研究课题;感

谢何朝梁、裴夏川、房子敬、吴娜、易成龙、苏秋成的陪伴,你们使我的博士生

活变得丰富多彩。

特别感谢在英国交流学习期间傅永庆教授给予的指导和帮助。傅老师是声表

面波微流控领域的专家,在科研上给我提供了宝贵的指导,开阔了我的视野,拓

展了我的研究方向。同时,傅老师在生活方面也给予我许多帮助与关心。感谢陶

然博士在英国交流期间给予我的帮助与指导。感谢一起去英国交流的王勇同学,

我们一起生活学习,度过了半年愉快的留学时光。

最后,衷心感谢我的父亲陶辉林和母亲陈芙英二十多年的养育之恩,你们一

直在背后默默支持我,给我无私的爱和奉献,帮助我攻克难关,顺利毕业。工作

之后定当尽心孝顺,报答你们的养育之恩。感谢我的女朋友白洁博士一直以来的

陪伴与支持,给予我前行的动力,之后的漫漫人生路,还要与你一起走过。

陶翔

2020年4月于玉泉老和山

摘要

随着全球科技的飞速发展和医疗水平的进步,人类的平均寿命大大提高,我

国将无可避免地迈入老龄化社会。疾病的早期诊断和实时的健康监控在未来会显

得尤为重要。现有的医疗检测仪器都十分庞大、昂贵,不适合家庭使用。因此,

小型化、便携式、可穿戴的医疗检测装置在医疗健康领域将有很大的发展前景。

传感器是小型化医疗检测装置中核心的电子单元,它们把环境中的模拟量转化为

可供观察的数字量,开发高性能、小型化传感器是目前的研究热点。近些年,声

表面波(SAW)器件在传感领域备受关注,基于SAW器件的传感器与传统传感

器相比,具有体积小,灵敏度高,成本低,功耗低,能和半导体工艺相结合等优

点,并且,SAW器件还可实现无线无源测量,非常适合在医疗健康领域使用。

SAW器件还可作为微流体器件,用于对微流体中的细胞进行精确操控、筛选、

排列、驱动等,在组织工程和再生医学领域有很大的应用前景。本文主要研究的

是新型SAW器件在医疗健康领域的应用,主要包括两个方面:1、小型、可穿戴

的新型传感器研究;2、SAW微流体器件研究。

本论文设计并制作了两种类型的SAW呼吸传感器,用于阻塞性睡眠呼吸暂

停综合征的实时监测,一种基于128°Y-XLiNbO3压电衬底,另一种基于ZnO/PI

柔性衬底。首先使用两种SAW器件进行了有线测量,LiNbO3SAW呼吸传感器

的响应时间和恢复时间分别为1.86s和0.75s;柔性SAW呼吸传感器响应时间

和恢复时间分别为1.125和0.75s。当使用谐振频率表征时,LiNbO3SAW和柔

性SAW传感器的灵敏度约为2.7MHz/50%RH(由表面冷凝引起)和0.36MHz/50%

RH(湿度变化引起)。LiNbO3SAW器件Q值高达18600,进一步用于无线呼吸

测量。SAW器件结合柔性天线,组成呼吸传感端,贴于被测者鼻子下方。虽然

通过仿真设计,获得了较高Q值的LiNbO3SAW器件,但与现有的商用产品相

比,还存在一定差距,同时,柔性天线还不够完善,因此,目前只能实现短距离

的稳定测量。从测试结果中能清晰地分辨出有无呼吸。

同时,本文还制作了不同波长的ZnO/Al柔性SAW紫外传感器,并通过

COMSOL有限元仿真,确定了每一个谐振峰对应的波模态。为了减小温度的影

响,选取了TCF最小的模态(A0模态,100μm)用于旋涂敏感层。本论文使用

的敏感层为高度多孔的3DT-ZnOMNs材料,该材料拥有极高的孔隙密度(高达

98%),极大的表面积体积比,稳定的化学/物理性质。通过使用T-ZnOMNs敏

-6-62-1

感层,SAW器件的紫外光敏感度从-3.03×10提升到-5.25×10cmmW。同时,

本文将波长为400μm的柔性SAW紫

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