基于微悬臂梁的传感技术研究(张奇)

基于微悬臂梁的传感技术研究
（***中国科学院电工研究所北京100190）
摘要：本文对微悬臂梁的传感技术从四方面展开讨论，分别介绍了其制造工艺，修饰技术，激励、检测和控制技术，以及与其它电路的工艺集成技术，认为基于微悬臂梁的传感技术是一项极具生命力的技术，它将给科技进步带来巨大动力。

关键词：制造;修饰;激励;检测;控制;集成
Abstract:The sensing technology concerning microcantilever is discussed here from four aspects.They are fabricating process,modifying flow,methods of exciting,detecting and controlling,and its integration with other circuits.This is a promising field and will push technology and science forward greatly.
Keyword:fabricating;modifying;exciting;detecting;controlling;integration.
基于微悬臂梁的传感技术自问世以来，就由于它能够带来的高精度、高灵敏度、低成本、易阵列化、以及便于与其它电路模块高度集成为一体的特点而成为国内外相关领域争相研究的热点。

目前基于微悬臂梁的传感技术主要有以下四个方向。

一：对微悬臂梁本身的制造工艺研究
微悬臂梁作为整个传感系统的最终执行元件，它的可靠性、加工结果的统一性、以及成本的高低，都直接关系到整个系统的稳定性、可控性、被市场化的可能性。

微悬臂梁是结合硅基体微加工技术和硅基表面微加工技术，通过腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等工艺方法的综合运用而制造出来的。

它的长度和宽度一般都远远大于厚度，以便获得其工作的高性能。

图一【1】所示的是一个微悬臂梁的加工工艺流程示意：（a）对硅体进行加热使其表面生成一层氧化膜，然后通过LPCVD工艺在其上沉淀一层多晶硅；（b）用光刻的方法确定微悬臂梁的形状；（c）用氢氟酸把不需要的二氧化硅去除。

图一：简单微悬臂梁的加工工艺(a)硅体氧化和多晶硅层沉积
(b)光刻定型(c)二氧化硅移除
目前应用于扫描探针显微镜的探针的制造工艺已经日趋成熟，并且探针在扫描探针显微镜的市场推动下已经商品化和大规模生产。

在个性化需求不是很强的场合，完全可以直接购买这些商品化的探针使用，或购买后再进行相关的修饰从而做成特定生化分子的检测探针。

图二所示是俄罗斯NT-MDT公司生产的AFM 探针，其悬梁参数为：长90微米，宽60微米，厚2微米，共振频率典型值420kHz，弹性系数典型值48N/m。

图二：俄罗斯NT-MDT公司生产的AFM探针
二：对微悬臂梁的修饰技术研究
由于生物和化学反应的高度选择性的特点，要把微悬臂梁应用到生化领域，其表面必须安装上相关的探针分子，使得其能够探知待测对象中的目标分子或离子。

有的探针分子只能够探知一种固定的对象，而有的却可以探知一类目标对象，所以利用这种特点，可以制作出微悬臂梁阵列，它可以检测出组成它的单个微悬臂梁所不能检测的目标对象，2000年IBM瑞士苏黎世实验室的Lang等人首次研制出了阵列式微悬臂梁气体传感器，能够准确分辨混合气体中的所有组分，也能探知包含橙、柠檬、苦杏仁、樱桃、香草等气味的自然芳香剂。

2001年该实验室又用微悬臂梁阵列用于DNA分子错配的检测和蛋白质分子的识别，并把其成果发表在了SCIENCE杂志上【2】。

表一列出了几种常见的修饰微悬臂梁用的聚合物探针分子和其检测对象。

探针分子PDMS BSP3OV-275PECH
目标分子脂肪烃常见蒸气大偶极矩蒸气芳香烃
表一：探针和目标分子对照表
微悬臂梁的修饰技术的研究，主要是对化学或生物物质的特性和微悬臂梁材料的特性的研究。

微悬臂梁的修饰过程其实本质上就是“反应——清洗——反应”不断的重复过程，在某些处理环节上需要花大量的时间；而且有的微悬臂梁吸附目标分子后没有办法使探针分子与目标分子再次分离，所以只能使用一次，这就会使传感器的成本大大增加。

所以如何缩短微悬臂梁的的修饰周期和提高微悬臂梁的可重复利用性是微悬臂梁修饰技术的关键。

三：对微悬臂梁的激励、检测和控制技术的研究
微悬臂梁一般都工作在静态模式或振动模式。

微悬臂梁工作的弯曲模式原理是：安装有探针分子的一侧吸附目标分子后使得微悬臂梁的两个表面之间的应力产生差异，从而导致微悬臂梁的弯曲，把弯曲信息进行后续处理后就可以探知目标分子的信息。

微悬臂梁工作的振动模式原理是：安装有探针分子的微悬臂梁吸附目标分子后，其固有振动频率发生变化，这种固有振动频率的变化与其所吸附的目标分子质量呈一定的函数关系，所以只要测出频率的变化也就可以计算出微悬臂梁所吸附的目标分子的质量，再通过其它处理手段就会推出目标分子所在溶液或混合气体中的目标分子浓度等信息。

振动模式比静态模式下的微悬臂梁具有更高的灵敏度，并且在吸附目标分子后悬梁不弯曲的情况下依然能够检测质量变化，所以振动模式被越来越多的采用，缺点是必须有相关装置来激励微悬臂梁，激励方式有压电激励、电磁激励、静电激励、电热激励和光热激励等，其中压电激励和电磁激励是目前采用最广泛的两种方式。

微悬臂梁的检测方法有光反射法、激光干涉法、电容法、压电法以及压阻法。

它们都各有优缺点，都可以达到很高的分辨率。

振动模式下微悬臂梁在液体中的品质因数大大降低，这个问题一直是微悬臂梁控制技术中的研究难点和热点，传统的方法一种是增加正反馈电路，即在检测出的微悬臂梁信号的基础上把它移相90度，调整增益后与原激励信号叠加后，
再去激励微悬臂梁。

另一种传统方法是去检测微悬臂梁的高阶振动模态。

最近国外报道了两种新式的微悬臂梁品质因数改善的方法。

一种方法采用磁致伸缩材料作为执行材料，外加交变磁场使其振动，这种振动会产生一种被检测线圈检测到的磁通，即磁致伸缩微悬臂梁的激励和检测都可以用无线的方式实现，这种微悬臂梁在空气中的品质因数可以达到500，在水中可以达到40。

【3】而一般的压电式激励的微悬臂梁在液体中的Q值都是低于10的。

图三是磁致伸缩微悬臂梁的结构和在交变磁场作用下这种微悬臂梁的应变响应图。

磁致伸缩微悬臂梁也是双层结构，一层是磁致伸缩材料层，一层是无源层，由于磁致伸缩效应，磁致伸缩材料层的长度在外加磁场的激励下变化，但是被无源层限制，从而导致微悬臂梁的弯曲运动。

由于磁致伸缩的应变响应是驱动磁场强度的偶函数，所以必须在线圈的激励电流中加上一个很大的偏置直流电流才能使得磁致伸缩材料的长度变化变大并且正比于交流驱动磁场。

为了消除背景噪声，使用一对检测线圈来检测微悬臂梁的振动，这对线圈各种参数都完全一致，串联在一起但是绕向相反。

图三：a）磁致伸缩微悬臂梁的结构。

b）在交变磁场作用下这种微悬臂梁的应变响应图无线驱动和检测是磁致伸缩微悬臂梁的主要优点，并且，假如无源层是磁性材料的话，检测线圈检测到的信号可以被加强，这样就可以不加直流偏置磁场，这点对小型化化的磁致伸缩微悬臂梁非常重要。

另外一种方法独辟蹊径，微悬臂梁本身不但要在外加激励的作用下振动，而且要充当被测溶液的容器，这样就从根本上能够解决微悬臂梁浸入溶液后由于溶液粘度浓度等因素带来的品质因数恶化，Thomas P.Burg等人的实验表明这种微悬臂梁的品质因子可以达到700。

【4】利用这种微悬臂梁的结构，Thomas P. Burg等人又在一年后实现了单个纳米颗粒，单个细菌细胞的称量。

图四所示的是这种充满液体的微悬臂梁测量质量的两种模式。

【5】
图四，充满液体的微悬臂梁测量质量的两种模式。

a）一个悬空的微通道把质量变化转成频率变化。

液体连续地流过通道，留下生物分子、细胞或者合成颗粒，通过缩小通道厚度和宽度，并且把微悬臂梁在真空中包装，可以达到亚毫微微克的质量分辨率。

b）不管是附在还是没有附在通道壁上的分子都会增加微悬臂梁的质量，而附着在通道壁上的分子不断累积的话，被附着的分子的质量结果肯定大大超过浮在溶液中的分子的质量，这就是说可以通过安装探针分子的方法来实现针对性检测。

c）另外一种测量方式是颗粒流过微悬臂梁，但是不会附着在腔体内，信号的变化完全取决于颗粒在微悬臂梁中的位置，这种一个颗粒质量
的变化可以被峰值频率漂移所量化。

四：对微悬臂梁与其它电路模块集成化的研究
微悬臂梁是MEMS器件中结构不太复杂的一种执行元件，在集成化思想带来的稳定性，低成本等好处的面前，怎样把微悬臂梁MEMS加工工艺完全和其检测、控制电路的CMOS工艺尽快兼容起来，实现整个系统的单片集成，做出高精度、小型化、高智能、低成本、短生产周期的传感器，从而应用于军事、医学、航天等领域，这也是国内外研究的热点。

北京大学微电子系最近完全基于SOI CMOS技术，在SOI硅片的器件层上完成了微悬臂梁传感器与SOI CMOS电路的单片集成，旨在克服基于体硅的微悬臂梁制造技术的寄生效应和力敏电阻材料单一性的缺点，其测试结果验证了其方案的可行性。

【6】
五：结论
本文从四个方面呈现了微悬臂梁相关技术的发展现状。

微悬臂梁传感器作为高精度检测的一个重要分支，它的不断进步和发展必然会给生物、化学、机械、电子、航天、物理、材料等领域带来影响和改变，甚至革命。

参考文献
[1]B.llic(2004),“Virus detection using nanoelectromechanical devices”,Applied physics
letters,Volume85number13.
[2]J Fritz(2000)“Translating biomolecular recognition into nanomechanics”,Science,
Volume288page316-318.
[3]Suiqiong Li(2009),“Resonance behavior of magnetostrictive micro/milli-cantilever and
its application as a biosensor”,Sensors and actuators BS:chemical,Volume137page692-699.
[4]Thomas P.Burg(2006),“Vacuum-Packaged Suspended Microchannel Resonant Mass
Sensor for Biomolecular Detection”,Journal of microelectromechanical systems,Volume15 number6.
[5]Thomas P.Burg(2007),“Weighing of biomolecules,single cells and single nanoparticles
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[6]Tang Yaquan(2008),“Monol ithic Integration of Micro-Cantilever and Readout Circuits”,
Chinese journal of sensors and actuators,Volume15number6.。