薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》篇一一、引言随着物联网技术的飞速发展，柔性电子设备已成为研究的热点。
其中，柔性压力传感器作为一种重要的传感元件，广泛应用于人机交互、智能穿戴、健康监测等领域。
在众多压力传感器技术中，电容式柔性压力传感器以其高灵敏度、快速响应、低功耗等优点备受关注。
本文以PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜作为介电层的电容式柔性压力传感器为研究对象，探讨其性能及优化方法。
二、PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器PDMS薄膜因其优异的绝缘性、良好的柔韧性和化学稳定性，常被用作电容式压力传感器的介电层。
在电容式压力传感器中，当外界压力作用于传感器时，会导致介电层与电极之间的距离发生变化，从而改变电容值，实现压力的检测。
三、传感器的工作原理与性能分析本研究所采用的电容式柔性压力传感器，主要由上下两个电极和中间的PDMS薄膜介电层构成。
当外力作用于传感器时，PDMS薄膜会发生形变，导致上下电极之间的距离发生变化，从而引起电容的改变。
这种改变与外力之间呈现出良好的线性关系，使得传感器能够准确地检测压力变化。
在性能方面，该传感器具有高灵敏度、低检测限、快速响应等优点。
此外，PDMS薄膜的引入还提高了传感器的柔韧性和耐久性，使其能够适应各种复杂环境下的使用需求。
四、传感器的制备与优化为了进一步提高传感器的性能，我们通过优化制备工艺和材料选择来改善传感器的性能。
具体措施包括：1. 优化电极材料：选择导电性能良好、柔韧性高的材料作为电极，以提高传感器的灵敏度和响应速度。
2. 改进PDMS薄膜的制备工艺：通过控制薄膜的厚度、均匀性等参数，提高介电层的性能，从而提升传感器的整体性能。
3. 引入微结构：在PDMS薄膜表面制备微结构，如微金字塔、微孔等，增加传感器的有效面积和表面积，进一步提高灵敏度和响应速度。
4. 封装保护：对传感器进行封装保护，以提高其耐久性和稳定性，使其能够在各种复杂环境下长期稳定工作。
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》范文
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》篇一一、引言随着物联网和智能可穿戴设备的飞速发展，对于高灵敏度、高可靠性和良好柔韧性的压力传感器需求日益增加。
其中，电容式柔性压力传感器因具有灵敏度高、功耗低等优点，在众多传感器中脱颖而出。
本文将重点研究基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜介电层的电容式柔性压力传感器，探讨其工作原理、制备工艺及性能特点。
二、PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的工作原理PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器主要由两个导电层和中间的PDMS介电层构成。
当受到外力作用时，导电层之间的距离发生变化，导致电容值发生变化。
通过测量这种电容变化，可以推算出外界施加的压力大小。
三、制备工艺1. 材料选择：选用高质量的PDMS材料、导电材料（如银纳米线）以及基底材料。
2. 制备过程：首先，在基底上制备导电层；然后，将PDMS薄膜涂覆在导电层上，形成介电层；最后，制备另一导电层，形成电容式压力传感器的结构。
四、性能特点1. 柔韧性：PDMS薄膜具有良好的柔韧性，使得传感器可以适应各种弯曲和扭曲的形状，满足不同应用场景的需求。
2. 高灵敏度：由于电容式压力传感器的灵敏度与介电层的厚度、导电层的间距以及材料性能等因素密切相关，因此，采用PDMS薄膜作为介电层的传感器具有较高的灵敏度。
3. 稳定性：PDMS材料具有优良的化学稳定性和热稳定性，使得传感器在长时间使用过程中保持稳定的性能。
4. 易于制备：制备工艺简单，成本低廉，适合大规模生产。
五、实验结果与分析1. 制备了不同厚度的PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器，通过实验发现，适当增加PDMS薄膜的厚度可以提高传感器的灵敏度。
2. 对比了不同导电材料的传感器性能，发现采用银纳米线作为导电材料时，传感器的性能更优。
3. 在不同压力范围内测试了传感器的响应速度和线性度，结果表明，该传感器在较小压力范围内具有较高的灵敏度和线性度。
4. 对传感器的稳定性进行了长时间测试，发现其性能稳定，无明显衰减。
生物传感器的设计与优化
生物传感器的设计与优化生物传感器是一种利用化学、生物或物理学作用原理来检测生物组分的设备。
生物传感器广泛应用于环境监测、食品安全检测、医学诊断等领域。
设计和优化生物传感器的关键是选择合适的生物元件、信号转换器和信号放大器。
本文将分别介绍生物元件、信号转换器和信号放大器的设计和优化。
一、生物元件的设计和优化生物元件是生物传感器的核心组成部分，其选择对于传感器的灵敏度、选择性和响应速度具有重要作用。
生物元件通常包括酶、抗体和核酸等生物大分子，其特异性和灵敏度较高。
在生物元件的设计和优化中，需要考虑以下几个方面。
1.选择合适的生物大分子选择合适的生物大分子是生物元件设计的关键，需要根据检测对象的特性来选择合适的生物大分子。
例如，对于蛋白质类分子的检测，可选择抗体为生物元件；对于DNA或RNA的检测，可选择核酸为生物元件。
此外，也可以选择酶作为生物元件，如葡萄糖氧化酶用于葡萄糖检测。
2.对生物元件进行修饰和改性生物大分子的选择性和灵敏度可以通过修饰和改性来进行调节。
例如，可以进行化学修饰或生物修饰来增强生物元件的亲和力和特异性，从而提高传感器的灵敏度和选择性。
3.考虑生物元件的稳定性生物元件的稳定性对于传感器的长期使用和存储具有重要意义。
对于易被降解的生物元件，可以通过改变实验条件，如pH、温度等来提高其稳定性。
此外，在生物元件的设计中，还可以使用纳米材料作为载体，来提高其稳定性和活性。
二、信号转换器的设计和优化信号转换器是将生物反应产生的信号转换为电信号的部分，其选型对于传感器的灵敏度和响应速度有较大影响。
在信号转换器的设计和优化中，需要考虑以下几个方面。
1.选择合适的信号转换器在选择信号转换器时，需要根据生物元件的工作方式和反应产生的信号类型来选择合适的信号转换器。
例如，对于酶反应产生的信号，可选择电化学传感器作为信号转换器；对于荧光信号，可选择光学传感器作为信号转换器。
此外，在信号转换器的选择中，还需要考虑传感器的灵敏度、响应速度和噪声等因素。
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《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，柔性电子设备因其可弯曲、可穿戴等特性在众多领域中展现出巨大的应用潜力。
其中，柔性压力传感器作为柔性电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到设备的性能和使用体验。
PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜因其出色的绝缘性、柔韧性和化学稳定性，常被用作介电层材料。
本文将重点研究基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器，探讨其制备工艺、性能及潜在应用。
二、PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的制备1. 材料选择与制备制备基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器，需要选择适当的导电材料和PDMS薄膜。
导电材料通常选用金属或导电聚合物，而PDMS薄膜则通过混合PDMS预聚物、固化剂及添加剂，经过搅拌、脱泡、涂布等工艺制备而成。
2. 制备工艺制备过程主要包括导电层制备、PDMS薄膜制备、组装等步骤。
首先，在基底上制备导电层，可采用喷涂、印刷、蒸镀等方法。
然后，将PDMS薄膜涂布在导电层上，通过热处理使PDMS薄膜固化。
最后，将另一层导电层覆盖在PDMS薄膜上，完成传感器的制备。
三、性能分析1. 灵敏度灵敏度是评价压力传感器性能的重要指标。
基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器具有较高的灵敏度，能够准确检测微小的压力变化。
2. 线性度与重复性传感器的线性度和重复性也是评价其性能的重要指标。
本研究所制备的传感器在线性度和重复性方面表现出较好的性能，能够实现在较大压力范围内准确测量。
3. 柔韧性与耐久性PDMS薄膜的柔韧性和耐久性使得传感器具有良好的弯曲、拉伸和压缩性能。
同时，传感器在长时间使用过程中表现出良好的稳定性，不易受损。
四、潜在应用基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器具有广泛的应用前景。
例如，可应用于智能手表、可穿戴医疗设备、人机交互界面、机器人触觉系统等领域。
此外，该传感器还可用于监测人体生理信号，如脉搏、血压等，为健康监测和疾病诊断提供有力支持。
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》范文
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》篇一一、引言随着科技的进步，柔性电子设备在日常生活和工业应用中扮演着越来越重要的角色。
其中，柔性压力传感器作为柔性电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到设备的整体性能。
因此，对柔性压力传感器的研究显得尤为重要。
近年来，电容式柔性压力传感器因其高灵敏度、快速响应和良好的稳定性等特点，受到了广泛关注。
本研究主要探讨了一种基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜介电层的电容式柔性压力传感器。
二、PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器PDMS薄膜因其优良的绝缘性、柔韧性和化学稳定性，被广泛应用于电子设备的介电层。
我们通过将PDMS薄膜作为介电层，构建了一种电容式柔性压力传感器。
该传感器利用压力变化引起的介电层电容变化，实现压力的检测。
三、传感器的工作原理该传感器的工作原理基于电容器的原理。
当PDMS薄膜受到压力时，其形状和厚度会发生变化，从而导致介电层的电容发生变化。
这种变化可以被电路检测并转化为电信号，从而实现压力的测量。
此外，由于PDMS的柔韧性，该传感器可以适应各种形状的表面，具有良好的弯曲和拉伸性能。
四、实验研究我们通过实验研究了该传感器的性能。
首先，我们制备了不同厚度的PDMS薄膜作为介电层，并测试了其电容随压力变化的特性。
实验结果表明，随着压力的增大，电容值呈现出明显的增大趋势。
此外，我们还研究了该传感器的灵敏度、响应时间和稳定性等性能指标。
实验结果表明，该传感器具有高灵敏度、快速响应和良好的稳定性等特点。
五、结论本研究表明，基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器具有良好的性能。
该传感器具有高灵敏度、快速响应和良好的稳定性等特点，可以应用于各种需要检测压力的场景。
此外，由于PDMS的柔韧性，该传感器可以适应各种形状的表面，具有良好的弯曲和拉伸性能。
因此，该传感器在柔性电子设备、机器人、医疗健康等领域具有广泛的应用前景。
六、展望尽管基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器已经取得了显著的成果，但仍有许多问题需要进一步研究。
生物传感器的新设计与新方法
生物传感器的新设计与新方法生物传感器在医疗、环保、食品安全等领域中扮演着重要的角色。
它们能够检测特定物质的存在和浓度，并向人们提供及时、准确的信息。
然而，随着科学技术的不断进步，生物传感器的设计和方法也在不断更新和改进。
一、生物传感器的设计1.1 纳米材料的应用纳米材料作为一种新兴的材料，被广泛应用于生物传感器的设计中。
纳米材料具有高比表面积、生物相容性好以及可定向修饰等特点，使得其在生物传感器的信号放大、检测灵敏度和特异性上都有很好的表现。
例如，利用金纳米棒和石墨烯作为传感器电极，可以提高传感器的灵敏度。
研究发现，金纳米棒具有特殊的光学性能，能够增强荧光信号强度和稳定性，因此在活细胞中的荧光显微成像和分析上有重要的应用价值。
而石墨烯被认为是一种具有理想的电导率的材料，能够为生物传感器提供更好的电导通路，进而提高其检测灵敏度和稳定性。
1.2 直接检测与间接检测生物传感器的设计中，一般分为直接检测和间接检测两种方法。
直接检测是指将目标物直接作为传感器的检测对象，这种方法不需要太多的前期准备，可快速检测样品中的目标物质。
间接检测则是先将目标物与其他物质发生反应，再通过反应产生的产物作为传感器的检测对象。
例如，在检测葡萄糖含量时，可以利用酶促反应，将葡萄糖转化为产物，再检测产物的浓度来计算原样品中葡萄糖的含量。
1.3 嵌入式系统嵌入式系统是指将传感器、处理器和存储媒介等部件整合在一起的系统。
嵌入式系统可集成多种功能，如数据处理、远程通信、定位等功能，使得生物传感器的应用更加广泛和便捷。
例如，在医学检测方面，嵌入式生物传感器可以实时监测患者的生命体征，获取更多的生理信息。
在日常生活中，嵌入式生物传感器也可以用于检测水质、空气质量等环境因素，通过嵌入式系统的联网操作，及时监测和分析数据信息。
二、生物传感器的新方法2.1 DNA纳米技术DNA纳米技术是一种利用DNA分子进行精密组装的技术，可以制造出功能多样的生物传感器。
电容式生物传感器构建及检测方法探索
电容式生物传感器构建及检测方法探索电容式生物传感器是一种基于电容变化的生物检测技术，通过测量生物样品中的电容变化来实现生物分析和检测。
该传感器具有快速、灵敏、便捷等特点，在生物医学、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍电容式生物传感器的构建方法和检测方法，并探索其在生物医学领域的应用。
一、电容式生物传感器的构建方法1. 选择合适的基底材料：电容式生物传感器的基底材料要具有良好的导电性和生物相容性。
常用的基底材料有玻璃、硅片等。
选择合适的基底材料可以提高传感器的灵敏度和稳定性。
2. 制备电极：电容式生物传感器的电极是实现电容变化的关键部分。
电极的制备可以采用常规的微纳加工工艺，如光刻、蒸镀等。
制备电极时要保证电极表面平整，并且具有良好的导电性。
3. 表面修饰：为了增强生物传感器与生物分子的相互作用，可以在电极表面引入适当的修饰物。
常用的表面修饰方法包括自组装膜、生物修饰分子等。
表面修饰可以提高传感器的选择性和灵敏度。
4. 组装传感器：将制备好的电极与传感器芯片进行组装，包括电极的连接和封装等步骤。
组装传感器时要注意保持传感器的稳定性和可靠性。
二、电容式生物传感器的检测方法1. 电容变化检测法：电容式生物传感器的最基本方法是通过测量电容的变化来实现生物分析和检测。
当生物分子与电极表面的修饰物相互作用时，会导致电容的变化。
可以通过连接传感器与电容计或电桥等设备，测量电容的变化程度，从而实现对生物分子的检测。
2. 阻抗测量法：除了电容变化检测法，还可以采用阻抗测量法来实现生物分子的检测。
阻抗测量法基于电容变化引起的电极电阻或电-荷传递电阻的变化。
通过测量电极之间的电阻或阻抗的变化，可以获得与生物分子浓度相关的信号，从而实现生物分子的检测。
三、电容式生物传感器在生物医学领域的应用1. 生物分子检测：电容式生物传感器可以用于检测人体液体中的生物分子，如葡萄糖、胆固醇、蛋白质等。
通过测量电容的变化，可以快速、准确地检测这些生物分子的浓度，为临床诊断和治疗提供便利。
基于材料成型与控制工程的生物传感器设计优化
基于材料成型与控制工程的生物传感器设计优化近年来，生物传感器在医疗、环境监测、食品安全等领域发挥着越来越重要的作用。
生物传感器的设计与优化是提高其性能和应用效果的关键。
本文将从材料成型与控制工程的角度探讨生物传感器设计的优化方法。
一、材料成型在生物传感器设计中的作用材料成型是生物传感器设计中不可或缺的一环。
传感器的灵敏度、选择性和稳定性等性能与所使用的材料密切相关。
传统的生物传感器常使用金属、陶瓷等材料，但这些材料存在成本高、加工困难等问题。
而近年来，纳米材料成型技术的发展为生物传感器的设计带来了新的机遇。
纳米材料具有较大的比表面积和特殊的物理、化学性质，可以提高传感器的灵敏度和选择性。
例如，纳米金颗粒可以用于生物传感器的表面修饰，增强传感器与目标分子的相互作用。
此外，纳米材料还可以用于制备纳米孔膜，用于分离和检测生物分子。
因此，在生物传感器设计中，选择合适的纳米材料并进行成型是优化传感器性能的重要步骤。
二、控制工程在生物传感器设计中的应用控制工程在生物传感器设计中起到了关键的作用。
传感器的信号处理和数据分析是实现传感器高精度和高可靠性的关键环节。
控制工程的方法可以用于优化传感器的信号采集、处理和输出过程。
在信号采集方面，传感器的灵敏度和稳定性是关键指标。
传感器的灵敏度可以通过信号放大和滤波等方法进行优化。
而传感器的稳定性可以通过温度补偿和噪声抑制等控制策略进行改善。
此外，控制工程还可以应用于信号处理算法的优化，如波形分析、特征提取等。
在数据分析方面，传感器的输出信号需要进行准确的解读和分析。
控制工程的方法可以用于建立传感器的数学模型，并进行数据拟合和预测。
此外，控制工程还可以应用于传感器输出信号的模式识别和分类，实现对不同目标分子的准确检测和识别。
三、生物传感器设计优化的挑战与展望生物传感器设计优化面临着一些挑战。
首先，不同目标分子对传感器的要求不同，如灵敏度、选择性等。
因此，如何根据不同目标分子的特性进行传感器设计和优化是一个难题。
一种薄膜式悬臂梁表面应力生物传感器的制造方法[发明专利]
![一种薄膜式悬臂梁表面应力生物传感器的制造方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/fae517e6f12d2af90342e601.png)
专利名称：一种薄膜式悬臂梁表面应力生物传感器的制造方法专利类型：发明专利
发明人：张强,赵冬,桑胜波,张益霞,禚凯,季超,杜怡,裴臻,贾雯丹
申请号：CN201810502336.6
申请日：20180523
公开号：CN108593160A
公开日：
20180928
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及生物传感器制造领域，具体为一种薄膜式悬臂梁表面应力生物传感器的制造方法，包括以下步骤：用聚二甲基硅氧烷原液制备聚二甲基硅氧烷基底；加热固化后，中央切割孔槽；在玻璃衬底上旋涂一层聚二甲基硅氧烷薄膜，在聚二甲基硅氧烷薄膜中央切凹槽，将聚二甲基硅氧烷薄膜在氯金酸溶液还原，表面旋涂光刻胶并进行选择性曝光；聚二甲基硅氧烷薄膜与聚二甲基硅氧烷基底粘合，切割成十字悬臂梁形状，制得聚二甲基硅氧烷薄膜基底；还原沉淀纳米金；剥离光刻胶；划片、封装、测试即得。
本发明可以实现集成化，微型化，满足生物传感器的实际应用需要。
申请人：太原理工大学
地址：030024 山西省太原市万柏林区迎泽西大街79号
国籍：CN
代理机构：太原高欣科创专利代理事务所(普通合伙)
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PDMS微薄膜电容式表面应力生物传感器微加工及检测平台设计研究中期报告
PDMS微薄膜电容式表面应力生物传感器微加工及检测平台设计研究中期报告摘要：本中期报告主要介绍了一种基于PDMS微薄膜的电容式表面应力生物传感器微加工及检测平台的设计和研究。
该平台可以实现对生物大分子的静态和动态特性进行检测，并且具有高精度、高灵敏度和高可靠性等特点。
本报告主要介绍了平台的设计方案和加工工艺，并且对测试结果进行了分析和讨论。
1. 研究背景电容式表面应力生物传感器是一种新型的生物传感器，其基本原理是通过微米级别的变形来检测生物分子的静态和动态特性，从而实现对生物分子的检测和分析。
由于其具有高精度、高灵敏度、高可靠性和实时性等特点，已经成为生命科学、生物医学和环境监测等领域的研究热点之一。
2. 设计方案我们设计了一种基于PDMS微薄膜的电容式表面应力生物传感器微加工及检测平台，具有以下重要特点：（1）采用PDMS微薄膜作为传感器的敏感材料，具有高弹性、透明度高、处理方便等特点，可以实现对微小变形的检测，同时避免了传统材料在微加工过程中易受损的缺点；（2）采用铝膜和PDMS微薄膜组成平行板电容器结构，可以通过改变铝膜表面的化学性质实现对静态和动态特性的检测，同时也具有较高的灵敏度和可靠性；（3）采用微流控芯片的结构，在PDMS微薄膜上制备微通道，可以实现对样品的精准输送，同时也便于后续的检测和分析。
3. 加工工艺我们采用软光刻技术和PDMS微技术相结合的方法进行加工，在传感器上制备微米级别的铝膜和微通道，同时也保证了加工精度和良好的复现性。
具体的加工工艺主要包括以下步骤：（1）利用软光刻技术制备模具，并在其上进行抗辐射剂光刻，制备微米级别的铝膜和微通道；（2）利用PDMS软件制备微薄膜，同时在其上进行铝膜和微通道的ら鲜粘合，形成平行板电容器结构和微流控芯片结构；（3）利用显微镜和电子显微镜对传感器的加工效果进行评估和检测，保证其加工精度和良好的可重复性。
4. 测试结果与分析我们利用平台对不同浓度的蛋白质进行了检测，结果显示平台具有高灵敏度和良好的可靠性，同时也能够对蛋白质的静态和动态特性进行检测和分析。
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液中形成具有特异性结合的Ａｕ—Ｓ键固定探针分
子，因此被用于覆盖在ＰＤＭＳ微薄膜上制作电容传 感器的上电极；Ｓｉ具有优良的介电性能。作为基底 材料。当传感器上电极的探针分子与目标物发生生 物化学反应时，分子间作用力将导致薄膜表面应力
改变，使Ａｕ－ＰＤＭＳ应变膜发生形变，引起两电极间 距产生变化（图ｌ中Ａｄ），从而使输出电容改变，进
内的ＢｉｏＭＥＭＳ得以迅速发展，并对生物医学检测及 诊断产生了巨大的革新和推动作用。ＢｉｏＭＥＭＳ继承 了ＭＥＭＳ技术小型化、便携式、高集成和低成本的
基于表面应力的ＭＥＭＳ生物传感器，是一种新 型的ＢｉｏＭＥＭＳ生物传感器，其利用分子问化学键的 结合能进行传感，具有很高的检测精度和灵敏度。 当前国内外表面应力生物传感器主要基于悬臂梁或 微薄膜两种结构【２ｌ，它们可制成平行排列的阵列ｐ Ｊ， 形成多个独立的并具有不同表面功能化的高灵敏度
电极间距较小可增大传感器输出初始电容，提高传 感器灵敏度，但间距太小会导致ＰＤＭＳ薄膜与底电
并且无毒，非常适合作为生物传感应变膜。Ｓａｎｇ掣８】
设计了利用ＰＤＭＳ微薄膜作传感膜的表面应力生物
传感器，采用白光干涉法来测量薄膜加载待测物前 后的形变量，具有良好的检测灵敏度，但笨重的光 学检测仪器限制了其小型化的应用。 综上所述，笔者提出运用聚合物ＰＤＭＳ薄膜作 为应变单元的电容式表面应力生物传感器，为了简 化传感器设计过程并优化其性能，笔者采用有限元
聚二甲基硅氧烷）微薄膜的电容式表面应力生物传感器，分析了其基本结构原理及优点，并运用ＡＮＳＹＳ软件建立 了传感器仿真模型，对相同表面应力下，Ａｕ电极大小不同的薄膜形变进行了仿真，计算输出电容。结果表明，薄 膜形变量及电容改变量与Ａｕ电极在ＰＤＭＳ薄膜上的覆盖率有关，通过比较输出电容改变量与薄膜形变之间的关系，
得出了传感器最优结构尺寸。
关键词：生物传感器；表面应力；微薄膜；聚二甲基硅氧烷；电容结构；有限元仿真
ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００１—２０２８．２０１３．１０．０１７ 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．２０２８（２０１３）１０－００６２．０４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ—－ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
浸入检测样本溶液中时，容易在电极间产生感应电
步开发便携式、高灵敏的薄膜电容式表面应力生物 传感器奠定了理论基础。
１
原理分析及结构参数设计
１．１原理分析
基于ＰＤＭＳ微薄膜的电容式表面应力生物传感 器模型如图１所示，传感单元由上电极Ａｕ、ＰＤＭＳ
微薄膜、空气腔及底电极组成【ｌⅢ，Ａｕ薄层可在醇溶
流，并且悬臂梁背面会有一定的非特定吸附，从而 使输出电容噪声较大，影响测量精度；而电极密封的 薄膜电容结构只有上电极会与待测物接触，电容腔体 不受待测溶液的影响，可以克服悬臂梁结构的不足， 进行精确可靠的检测。因此，研究薄膜电容结构为开 发高精度便携式生物传感器提供了新的思路。
而通过测量电容变化量可检测目标样本的浓度。
对三种不同官能团（一ＣＯＯＨ，一ＣＨ３，一ＯＨ）进
行了检测。然而，传感器的灵敏度与应变单元材料 的机械硬度有关，应变单元材料的杨氏模量Ｅ越大， 机械硬度越大，一定表面应力下其形变越小，灵敏 度越低；反之灵敏度越高。因此，测量小应变时选
Ｆｉｇ．１
图ｌ
洱膜电容式表面应力生物传感器结构原理图
特点，具有微米一纳米量级的特征尺寸，可实现对细 胞、ＤＮＡ、蛋白质分子及新型药物等智能、快速、 准确的检测诊断【ｌ】。
传感单元，实现同时检测；其功能化的敏感物质与 待测样本分子作用而产生表面应力，使悬臂梁或薄
收稿日期：２０１３－０７．２４ 通讯作者：桑胜波 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５１１０５２６７） 作者简介：桑胜波（１９７９－－），男，山东菏泽人，副教授，博士，研究方向为生物微机电，Ｅ－ｍａｉｈ ｍｎｓｒｃ＿ｔｙｕｔ＠１６３．ｃｏｒｎ； 石强（１９８８－－），男，山西大同人，研究生，主要从事生物传感器敏感薄膜制作工艺研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｑ０２７７＠ｌｉｎｋ．ｔｙｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
网络出版时间：２０１３—０９．２７ ０９：３８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５１．１２４１．ＴＮ，２０１３０９２７．０９３８．００１．ｈｔｍｌ
万方数据
第３２卷第ｌＯ期
石强等：薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
６３
膜发生微纳米量级的形变响应。这种形变响应通常 利用白光干涉和激光干涉等光学方法或压阻效应进 行检测【４】，然而光学检测需要昂贵复杂的检测仪器， 且很难进行非透明生物样本溶液的检测，压阻效应 检测方式又容易产生较大的热漂移，不利于制作高 精度、便携式生物传感器。电容检测可获得较高的 灵敏度并且易实现集成【５】。但当悬臂梁电容结构完全
２
蒯 俄 巷 谗 脚
制 爸 簪 段
∽
＝
凸 山
＝
《
结果与分析
图２
传感器Ａｕ电极边长／ｌａｉｎ ＰＤＭＳ薄膜边长为４００“ｍ时。Ａｕ．ＰＤＭＳ薄膜中心偏转及屯容改变 量随Ａｕ电极大小变化曲线 Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆＡｕ—ＰＤＭＳ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｃｅｎｔｅｒ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｉｇ．２
第３２卷第１０期 ２０１３年ｌＯ月
电
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ
子
元 件 与 材 料 ＣｏＭＰＯＮＥＮＴＳ ＡＮＤ ＭＡＴＥＩＵＡＬＳ
Ｖｂｌ．３２ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１３
薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
石强，桑胜波，奉辉，赵媛
（太原理工大学信息工程学院，山西太原０３００２４）
摘要：在总结传统微悬臂梁表面应力生物传感方法缺陷的基础上，提出了基于ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ；ｍｉｃｒｏ ｍｅｍｂｒａｎｅ；ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ
日渐成熟的ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，微机电系统）技术使包括生物微传感器在
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｎ
ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ・－ｂａｓｅｄ ｍｉｃｒｏ・・ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ，ａ
ｓｔｒｅｓｓ—ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ（ＰＤＭＳ）ｍｉｃｒｏ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ
ｓｔｒｅｓｓ
ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ
ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ’Ｓ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ・ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｃｍｂｍｎｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ
１．２结构参数设计 传感器结构设计的目标是使输出信号最大，也 就是在一些约束条件（如加工工艺、微流体结构或 器件大小）满足的情况下，通过研究传感器最优的
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｏｆ ｔｈｉｓ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａ ３－Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
Ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ＡＮＳＹＳ。Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ｏｆ Ａｕ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｕｎｄｅｒ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ
ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｓ￡ｇ ｃｈａｎｇｅｓ（￡ｐ＝４００“ｍ）
２．１仿真建模
有限元分析模型包括电极Ａｕ、ＰＤＭＳ薄膜和空 气腔，其各部分相关参数如表１所示。在ＡＮＳＹＳ有 限元仿真软件中，表面应力无法直接加载，因此，利 用一种新的方法：等效温度载荷来模拟表面应力［１１】，
菌素的超薄Ｓｉ膜电容式生物传感器。当超薄Ｓｉ膜表 面功能化的探针分子与其对应的目标物发生相互作 用时，超薄Ｓｉ膜的表面应力生物会导致Ｓｉ膜产生形 变，从而使器件输出电容改变，利用ｂｉｏｔｉｎ－ＮＨＳ探 针可成功检测浓度为２．１ｘ１０－８ｍｏｌ／Ｌ的抗生蛋白链菌 素目标分子。Ｓｒｉｎａｔｈ等［Ｔｊ提出了ｐａｒｙｌｅｎｅ（聚对二甲 苯）薄膜表面应力生物传感器并在化学物质测试中
膜的形变６大小正比于（肌）２，因此，ＰＤＭＳ薄膜要
尽可能薄；由于Ａｕ的杨氏模量很大，容易对ＰＤＭＳ
万方数据
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石强等：薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
０ｃｔ．２０１３
薄膜的偏转产生抵消作用，影响传感器电容变化量， 所以Ａｕ电极也要尽可能薄，以提高传感器灵敏度。 结合目前微加工工艺，ＰＤＭＳ薄膜厚度（ｆＤ）和Ａｕ
高，且杨氏模量大小与其加工工艺有着一定的关系， 可通过工艺研究使其探测灵敏度最大化，利于分析 检测；而且成本低，使用简单，同硅片之间具有良 好的粘附性，具有良好的化学惰性和生物相容性，
式中：ｓ为电容极板间介质的介电常数：Ａ为两平行 板正对面积；ｄ为两平行板间距离。传感器输出电容 变化量近似与电极尺寸成正比，与电极间距成反比。
结构尺寸使得在一定表面应力作用下，传感器输出 电容Ｃ变化量最大。根据平行板电容器原理公式： Ｃ＝叫／ｄ