微悬臂梁传感器在环境检测中的应用_滕艳华

读出方式。
2． 1 光杠杆方法
光杠杆法是微悬臂梁弯曲变形的光学检测手段中最容 易实现，同时也是最普遍的检测悬臂梁弯曲的方法［5］。该方
法的基本原理如图 1 所示，一个激光器发出一束光照射在微
悬臂梁的自由端表面反射后进入位置敏感探测器（ position
sensitive detector，PSD） 的接收靶面。当悬臂梁弯曲时，反射
长期大量使用农药会使其在土壤、农产品中残留，对环 境和人类健康造成危害。Alvarez M 等人［13］利用在微悬臂 梁镀金表面修饰上硫醇分子后再修饰上抗体分子后对氯苯 基三氯乙烷进行检测，尽管检测灵敏度只有 33 nmol / L，这 也使得微梁传感器可以作为一种快速检测有机毒素的方 法。近年来，一些不易分解的兽用添加剂对环境的危害引 起了人们的重视。例如： “瘦肉精”即盐酸克伦特罗 （ clenbuterol，CL） ，是一种人工合成的 β-肾上腺素能兴奋剂。“瘦 肉精”作为一种“生长促进剂”使用，由于其性质稳定，要加
文章编号： 1000—9787（ 2011） 04—0005—03
Applications of microcantilever sensor in environmental detection*
TENG Yan-hua1 ，XUE Chang-guo2
（ 1． School of Material science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China； 2． Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Material of Chinese Academy of Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China）
摘 要： 微悬臂梁传感器以其实时、高灵敏度、非标记等优点，成为一种新型环境检测手段。介绍了微悬
臂梁传感器的工作原理，包括其工作模式、读出技术，总结了其在环境检测等方面的研究动态，并对其在
环境检测领域的发展进行了展望。
关键词： 微悬臂梁传感器； 工作原理； 环境检测
中图分类号： TP 215
文献标识码： A
图 1 光杠杆原理检测微梁弯曲示意图 Fig 1 Schematic diagram of optical lever principle for
detection bending of microcantilever
应力的变化。当微梁弯曲时候，产生的表面应力使压阻材 料产生应力，相应地产生了可以用电学方法测量的电阻变 化（ 如图 2（ a） ） 。植入梁里面的压阻材料必须要尽可能接 近微梁的上表面以提高分辨率［7］。压阻方法的优点在于可 以将整个读出系统很好地集成在一个芯片上，这种方法的 缺点是压阻系统的精度比光学读出方式要低。另外一个缺 点是压阻方法需要将压阻材料植入微梁，这无形中增加制 作这种复合结构微梁的工艺。
图 2 压阻和压电微悬臂梁结构示意图 Fig 2 Structure diagram of piezoresistive and
piezoelectrode cantilever
2． 3 电容方法 电容式读出装置式基于悬臂梁上的导体端和从微梁上
分离出来的另外固定导电端分离一小段距离（ 图 3） 。由于 微梁的变形，导致梁和固定导体端距离变化，使在 2 个金属 电镀版间电容的变化，电容大小和可逆的变化距离成比例。 这种方法的灵敏度依赖于制作微小间距离微梁和底层材 料。电容式数据读出最大优点可以利用标准的 CMOS 技术 制作一个整体的 MEMS 装置［8］。这种方法的缺点是不适用 于电解质溶液检测。
生化传感器是一个独立的集成装置，其中包括以生物 活性分子单元或功能分子作为敏感单元，它的敏感单元将 探测信号转 换 成 可 探 测 用 的 输 出 信 号［2］。 通 过 组 成 生 化 传感器的敏感单元的不同，其可以被归类为 DNA、酶、抗 体、核酸、细胞等。通过这些生化传感器转换方式不同，生 化传感器又可分为光学、电化学、热、微悬臂梁、全 细 胞、 DNA 等生化传感器［1］。作为一种实时、高灵敏度、非标记 的传感器技术，微悬臂梁传感器一直是生化感领域研究的
热点［3］。 1 微悬臂梁传感器工作模式
微梁可以对于表面机械力、温度变化和生物及化学的 一些特异性反应进行检测。微梁传感器可以通过不同的工 作模式进行测量。基于上述的不同响应，微悬臂梁传感器 的可以分为 2 种主要的工作模式： 微梁的静态变形（ 静态 变形模式） 和微梁的动态频率（ 动态频率模式） 。 1． 1 静态工作模式
的激光束会在探测器的表面移动，光斑的位移正比于梁的弯
曲，这个位移值经过光臂的放大可由 PSD 的感光靶面检测，
产生电压信号通过数据采集卡进入计算机进行实时监控和 处理。其理论上垂直分辨率理论可达到 10 －4 A［6］，但这种方
法不适合对非透明溶液的探测。
2． 2 压阻 /压电方法
压阻方法是在微梁的基体内植入压阻材料来记录表面
随着工业、农业、电 子 工 业 的 迅 速 发 展，大 量 的 重 金 属 元素通过各种途径进入环境中，不仅造成了环境污染，还引 发食品安全的问题。环境中的金属离子难以通过生物降 解，进入人体后经过长期积累，对人体造成危害，严重将危 及生命。2003 年，Cherian S 等人在镀金微梁表面修饰特定 的蛋白质分子实现对 Ni2 + ，Zn2 + ，Co2 + ，Cu2 + ，Cd2 + 和 Hg2 + 等金属离子检 测［11］。 赵 洪 伟 等 人 以 用 巯 基 化 的 铜 离 子 抗 体修饰在微梁的镀金表面［12］，研究其和标准的 Cu2 + 抗原溶 液的反应，同时研究了添加了标准 Cu2 + 标样的自来水溶液 作用的情况，其检测灵敏度达到 0． 2 mg / L。
0引言 环境检测作为环境研究领域一个重要研究方向，目的
是为污染处理、环境管理、环境规划与评估等提供及时、准 确、可靠、全面的信息。传统的检测方法（ 如液相色谱） 因 其分析速度慢、操作复杂而不适于进行在线检测。日益恶 化的环境问题 迫 切 需 要 建 立 一 种 快 速、实 时 的 检 测 体 系。 近年来，越来越多的传感技术应用到环境检测中，尤其是生 化传感器成为研究热点［1］。
Abstract： As the advantages of real time，high sensitivity，label-free detection，microcantilever sensor becomes a kind of new-style environmental detection method． The principle of microcantilever sensor，especially its working mode and read out technology are introduced and the latest development of this sensor technology in the environmental detection is summarized． The development prospect in this field is discussed． Key words： microcantilever sensor； working principle； environmental detection
位置、空间方位、弯曲的半径和内在的应力等信息。根据微
梁传感器的操作模式（ 静态模式或动态模式） 选择不同的读
出装置。微梁的读出装置，总的来说可以分为光学方法和
电学方法两类。一般具体的采用以下几种方法： 光杠杆法、
压电 / 压阻、电容等方法。这些方法可以测量微梁弯曲变形
和共振频率变化，并且也都可以作为阵列微悬臂梁弯曲的
2011 年 第 30 卷 第 4 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
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微悬臂梁传感器在环境检测中的应用*
滕艳华1 ，薛长国2
（ 1． 安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001； 2． 中国科学技术大学 中科院材料力学行为和设计重点实验室，安徽 合肥 230027）
臂梁表面吸附待测物质量的多少。使用时利用交变电场或
磁场激励可以使微悬臂梁在气体中或者在真空中振荡，将
敏感分子修饰于悬臂梁表面，当与被测样品相接触时，被测
物质分子被敏感分子吸附在微悬臂梁表面，使微悬臂梁的
有效质量增加，从而引起共振频率的变化。测量共振频率
的变化，就可以反映出质量变化
Δm
=
K 4π2
（
1 f1 2
－
1 f0 2
）
，
（ 2）
式中 Δm 为微梁吸附待测物质前后的质量的变化； K 为微
悬臂梁的弹性模量； f0 和 f1 分别为微梁表面吸附被测分子 前和吸附后的微梁共振频率。
2 微梁传感器读出方式
微梁传感器工作原理都是基于对微梁自由端上的弯曲
实时测量。微梁传感器的一个重要指标就是准确检测在弯
曲时所导致相应参数的实时变化。这些参数包含微梁尖端
第4 期
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滕艳华，等： 微悬臂梁传感器在环境检测中的应用
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图 3 电容式微悬臂梁弯曲读出示意图 Fig 3 Schematic diagram of bending readout of
capacitive microcantilever
3 微悬臂梁传感器在环境检测中的应用 3． 1 气体检测
为了保证工作环境、安全或过程控制中的空气质量，而 进行的气体检测是一项重要的课题。在化工企业里面，对 许多化学气体物质的检测主要依靠各种气体传感器。气体 传感器广泛用于检测有毒、有害气体、污染环境气体及工业 废气的检测和监控等。微悬臂梁传感器作为一种新型的气 体传感器在常规气体检测、气味检测、爆炸气体污染检测等 方面都有研究。Mertens J 等人［9］在微梁的动态工作模式下 检测了 HF 的吸附，得到在极低含量下的 HF 在微梁表面的 吸附而产生的动态漂移。Pinnaduwage L A 等人在微悬臂梁 镀金表面上自组装 4—巯基苯甲酸单分子膜，对三硝基甲苯 季戊四醇四硝酸酯和环三亚甲基三硝胺［10］ 等炸药进行痕 量检测。测量结果表明检测限可以达到几个飞克，表明这 种测试手段可以作为一种新型、快速、灵敏、便携式检测爆 炸气体装置。 3． 2 液体中污染物检测
式中 E，ν 为微悬臂梁的弹性模量和杨氏模量； L 为微悬臂
梁的长度； t 为微悬臂梁厚度； Δσ1 ，Δσ2 分别为微梁上下表 面的应力。
1． 2 动态工作模式
动态工作模式是测量微悬臂梁共振频率的变化。利用
微悬臂梁表面吸附待测物引起质量变化，从而导致微悬臂
梁谐振频率偏移，通过测量频率偏移量的大小，反映出微悬
压电方法是在 悬 臂 梁 表 面 涂 上 一 薄 层 压 电 材 料 ，当 悬 臂梁发生应变 （ 如弯曲过程） 时，其表面会产生瞬时 电 荷 （ 如图 2（ b） ） 。近年来，压电材料的谐振式微悬臂梁传感器 因其具有高灵敏度的优势而成为研究热点［3］。同时，在制 作高灵敏度的小尺寸微悬臂梁在也显露出一定的优势。其 缺点是需要用压电材料层做电极，另外，为了使测量出信号 具有更高的精度，需要将压电材料层加厚，这与前面所要求 的薄层相矛盾。当悬臂梁弯曲达到最大值并静止后，用这 种方法就很难测量了。
收稿日期： 2011—02—17 * 基金项目： 安徽省教育厅青年基金资助项目（ 2007JQ1037） ； 安徽省高校自然科学基金资助项目（ KJ2010B316）
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传感器与微系统
第 30 卷
Δz
= 3（
1 － ν） Et2
L2 （
Δσ1
－
Δσ2 ）
=
3L2 （ 1 － Et2
ν）
Δσ
，
（ 1）
在没有内在的重力、磁力、静电力等存在的情况下，微 梁的变形和其表面应力有关。在各向同性材料上有均布的 应力会使其表面产生增大效应（ 压应力） 或者紧缩效用（ 张 应力） 。运用微悬臂梁的弯曲变形检测固体的表面应力变 化，其原理是直观的。当微梁上下两侧表面的表面应力发 生变化，并且这种变化不能相互抵消时，微梁就会发生弯曲 变形。对于均匀且各向同性材料的表面应力来说，微梁偏 转Δz 与 表 面 应 力 σ 之 间 的 关 系 可 用 Stoney ’s［4］ 公 式 表 达