组成图示
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传感器类型
其他（热生物传感器）
检测对象
尿素（urea）；样品基质：100 mM 磷酸盐缓冲液（PB）水溶液（pH 6.5–7.5）
检测原理
尿素从 PDMS 微流控通道扩散进入明胶脲酶膜，脲酶催化尿素水解为二氧化碳和氨并释放反应热。反应热以红外辐射形式传递至传感器表面，MoSi2 吸收层与 Al 反射层在 10–13 µm 波段形成高吸收光学结构，使悬空薄膜温度升高。Si/SiGe 量子阱热敏电阻具有高 TCR，温度变化引起电阻变化，经 ROC 电路转换为电压输出。尿素浓度越高，单位时间放热越多，温升和输出电压越大，在 0.5–150 mM 范围内近似线性。MEMS 悬空结构和梁结构降低热损失、提高热阻，将最大温差从 600 mK 提升至 1850 mK，实现低焓变反应的高灵敏检测。
检测灵敏度
线性范围: 0.5mM to 150mM；RSD: less than 1%
效应效果
传感器对尿素在 0.5–150 mM 范围内线性响应，RSD 小于 1%。pH 7 时响应最佳，pH 7.5 影响不明显，pH 6.5 时响应明显降低；260 mM 尿素因脲酶饱和而偏离线性。引入梁结构后最大温差由 600 mK 提高到 1850 mK，响应时间为 30 ms，无梁结构为 8 ms；样品量可降至微升级。酶膜冰箱保存并每 3 天用 128 mM 尿素测试，稳定性超过设计周期，半衰期可超过 1 个月，更换酶膜后可重复使用。作者认为该传感器可用于低焓变生化反应和单细胞代谢研究。
传感器的构成
- 基底与电极：玻璃晶圆（glass wafer）+ SU-8 光刻胶 + 电镀金（Au）导电腿/焊盘，提供电路与信号读出
- 转移键合层：SOI 晶圆与玻璃晶圆金-金超声键合，将 Si/SiGe 量子阱结构转移到带电路基底
- 反射层：铝（Al）反射层，增强红外辐射吸收并形成光学谐振
- 机械支撑层：氮化硅（Si3N4）悬空薄膜，提供机械强度并限制热传导
- 红外吸收层：二硅化钼（MoSi2）薄膜，增强 10–13 µm 红外辐射吸收
- 换能层：Si/SiGe 量子阱热敏电阻，将温度变化转换为电阻/电压信号
- 热阻结构：梁（beam）结构，提高热阻并增大传感区与环境温差
- 识别/催化层：明胶（gelatin）酶膜固定脲酶（urease），催化尿素水解放热
- 微流控层：PDMS 微流控通道盖，输送样品并保护电路
中文摘要
本文提出一种基于红外辐射能的热生物传感器，用于生化反应量热检测。该传感器结合微机电系统（MEMS）技术进行结构设计，并采用具有高温度系数（TCR）和低 1/f 噪声的 Si/SiGe 量子阱传感材料，因而具有实现高灵敏度和实时检测的潜力。作者以尿素酶催化尿素水解反应验证传感器性能，结果表明其线性检测范围为 0.5 mM 至 150 mM，相对标准偏差小于 1%。在制备工艺中，晶圆级转移键合是关键步骤，它使量子阱传感材料与悬空结构集成成为可能，并降低传感器向周围环境的热损失，从而提高热信号响应。
英文摘要
In this paper, a thermal biosensor based on the infrared radiation energy is proposed for calorimetric measurement of biochemical reactions. Having a good structure design combined with MEMS technology as well as employing the Si /SiGe quantum well sensing material with a high TCR and low 1/f noise, the sensor shows potentials to be high sensitive and real-time. The urea enzymatic reaction was tested to verify the performance of sensor, which demonstrates a linear detection range from 0.5mM to 150mM and a relative standard deviation less than 1%. For the sensor fabrication, wafer-level transfer bonding is a key process, which makes the integration of quantum well material and a free standing structure possible. It reduces the heat loss from the sensor to the surrounding environment.