[發(fā)明專利]利用單根微機械懸臂梁實現(xiàn)多種物質(zhì)檢測的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810208129.6
• 申請日: 2008-12-26
• 公開（公告）號: CN101451946A
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于海濤;李昕欣;李俊綱;許鵬程;陳瀅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用單根微機械懸臂梁實現(xiàn)多種物質(zhì)檢測的以及懸臂梁的制作方法。本發(fā)明屬于微機械傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳感器是測量儀表及檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的傳感器通過改變電阻、電容或電感等電學(xué)量來測量壓力、溫度、位移等非電量，并以電壓和電流信號輸出。在傳感器和控制電路之間需要增加A/D轉(zhuǎn)換器，這不僅降低了系統(tǒng)的可靠性、響應(yīng)速度和測量精度，而且增加了成本。諧振式傳感器的輸出量是頻率信號，精度及分辨率高，長期穩(wěn)定性好，可通過簡單的數(shù)字電路實現(xiàn)與計算機的接口，從而省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的A/D轉(zhuǎn)換裝置。發(fā)展諧振式傳感器，適應(yīng)以微處理器為中心的數(shù)字控制系統(tǒng)是傳感器發(fā)展的重要方向之一但是，現(xiàn)已使用的諧振式傳感器(如諧振筒、諧振梁、諧振膜、諧振彎管)結(jié)構(gòu)尺寸較大，構(gòu)造復(fù)雜，價格昂貴，諧振頻率和靈敏度低。隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展及在傳感器中的應(yīng)用，用微機械加工技術(shù)制造出的微機械諧振式傳感器，引起了人們的特別興趣。微機械諧振式傳感器的敏感元件是用微電子和微機械工藝制作的微懸臂梁、微橋(雙端固支梁)、方膜(或圓膜)等諧振子，利用其諧振頻率、振幅或相位等作為敏感被測量的參數(shù)，可用來測量壓力、真空度、角速度、加速度、流量、溫度、濕度和氣體成分等物理量。諧振器的激勵方式有電磁激勵、靜電激勵、逆壓電激勵、電熱激勵、光熱激勵等，其檢測方式(即拾振方式)有壓電拾振、壓敏電阻拾振、電磁拾振、電容拾振、光學(xué)拾振等。

懸臂梁諧振器一端固定，另一端自由，自由端可釋放器件制作時在梁中形成的殘余應(yīng)力，諧振頻率不受封裝應(yīng)力的影響。懸臂梁諧振器的形狀有直條形、變截面直條形、U形梁、三角梁、音叉梁等，已在原子力顯微鏡(AFM)探針(輕敲模式和非接觸模式)、微機械電子濾波器、振蕩器、生化傳感器等器件上得到廣泛應(yīng)用。

作為質(zhì)量敏感的諧振式微機械懸臂梁傳感器由于具有高分辨率、高靈敏度、快速響應(yīng)和數(shù)字式輸出信號等特點，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該傳感器的核心部件是諧振狀態(tài)下的懸臂梁及其諧振驅(qū)動和敏感元件。當通過生化特異性吸附將待測物吸附在懸臂梁表面時，懸臂梁等效質(zhì)量的變化使懸臂梁固有諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測該諧振頻率的變化量能高精度地定量分析待測物的含量。[N.V.Lavrik，M.J.Sepaniak，P.G.Datskos，Cantilever?transducers?as?a?platform?for?chemical?and?biological?sensors，Review?of?Scientific?Instruments，75，2229(2004)]。傳統(tǒng)的諧振式懸臂梁傳感器一根懸臂梁只能檢測一種待測物，而在實際應(yīng)用中，由于測試環(huán)境復(fù)雜，為了排除交叉反應(yīng)干擾，往往需要同時檢測多種不同的物質(zhì)。以往的解決方法是利用多根懸臂梁組成陣列，每根懸臂梁檢測一種待測物。[R.McKendry，J.Zhang，Y.Arntz，et?al.，Multiple?label-free?biodetection?and?quantitativeDNA-binding?assays?on?a?nanomechanical?cantilever，Proceedings?of?the?NaionalAcademy?of?Sciences，99，9783(2002)]。這種方法的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要處理多路信號，而且不同懸臂梁之間結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異會導(dǎo)致質(zhì)量檢測靈敏度的差別，增加了測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用單根微機械懸臂梁實現(xiàn)多種物質(zhì)檢測的傳感器結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法，以克服懸臂梁陣列的不足。其基本思想及實現(xiàn)方法如下：在懸臂梁高階彎曲模態(tài)振幅為零處和懸臂梁的自由端處表面分別自組裝生長不同的特異性識別的敏感膜，利用振幅為零處在高階模態(tài)下質(zhì)量檢測靈敏度為零，而自由端處質(zhì)量檢測靈敏度最大的特性，通過同時記錄懸臂梁的各個模態(tài)在檢測前后頻率的變化，得到各個敏感位置所吸附的不同物質(zhì)的質(zhì)量，從而實現(xiàn)用單根懸臂梁檢測多種物質(zhì)。

以單根長條形懸臂梁測量兩種物質(zhì)為例，說明本發(fā)明的基本原理如下：長條形懸臂梁n階彎曲模態(tài)的模態(tài)函數(shù)為：

其中l(wèi)為懸臂梁的長度，x為懸臂梁長度方向上的坐標，κ是一個取決于懸臂梁長度的常數(shù)，κ₁l＝1.875，κ₂l＝4.694，當階數(shù)n＞2時，κ_nl＝(n-0.5)π。懸臂梁的長度方向上不同位置的質(zhì)量檢測靈敏度是不同的，可表示為