平面内谐振式微悬臂梁生化传感器的设计与制造

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一种微悬臂梁气体传感器及其制作方法

一、概述随着科技的不断发展，传感器技术在各个领域中的应用也在不断拓展。

其中，气体传感器作为一种重要的传感器类型，在环保监测、工业控制、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。

本文旨在介绍一种新型的微悬臂梁气体传感器及其制作方法，希望能为相关研究和应用提供参考。

二、微悬臂梁气体传感器的原理1. 微悬臂梁结构微悬臂梁气体传感器是一种基于微纳技术的传感器，其主要结构包括悬臂梁、传感层和敏感器。

其中，悬臂梁是传感器的关键部件，其主要作用是在气体作用下发生微小的位移，从而实现对气体浓度的检测。

2. 工作原理当待测气体进入传感器内部时，气体分子与传感层发生作用，使传感层发生变化，从而导致悬臂梁产生微小位移。

这种微小位移可以通过传感器测量装置进行精确测量，最终实现对气体浓度的检测。

三、制作微悬臂梁气体传感器的方法1. 制备悬臂梁需要选择合适的材料，如硅、玻璃等，通过光刻、腐蚀等工艺制备出悬臂梁的结构。

在此过程中，需要严格控制工艺参数，确保悬臂梁的结构稳定、尺寸精确。

2. 涂覆传感层传感层的选择和涂覆工艺对传感器的性能有着重要影响。

在选用合适的传感层材料后，需要通过旋涂、溅射等工艺将传感层均匀涂覆在悬臂梁上，并进行后续的固化处理，以确保传感层的稳定性和传感性能。

3. 敏感器的组装与调试将制备好的悬臂梁和传感层与检测电路等部件组装在一起，形成完整的微悬臂梁气体传感器。

随后，通过精密的调试和校准，使其达到预期的性能指标。

四、微悬臂梁气体传感器的优势1. 高灵敏度由于微悬臂梁的微小结构特性，使传感器对气体浓度具有较高的灵敏度，可以实现对于微小浓度变化的准确检测。

2. 快速响应微悬臂梁气体传感器在气体作用下能产生迅速的微小位移，使得传感器具有快速响应的特性，适用于对气体浓度快速变化的应用场景。

3. 稳定性高采用微纳制造工艺制备的微悬臂梁传感器具有结构紧凑、稳定性高的特点，能够长期稳定地工作在各种环境条件下。

五、微悬臂梁气体传感器的应用展望基于其优越的性能特点，微悬臂梁气体传感器在环境监测、医疗诊断、工业生产等领域具有广泛的应用前景。

新型谐振传感器的设计与实现

新型谐振传感器的设计与实现一、新型谐振传感器设计原理（一）传感机制剖析新型谐振传感器基于独特的物理或化学原理实现对目标量的感知。

例如，在压电谐振传感中，压电材料的压电效应是核心机制。

当受到外界应力作用时，压电晶体内部的正负电荷中心发生相对位移，致使晶体表面产生电荷积累，形成与应力成正比的电场。

此电场与晶体的机械振动相互耦合，使得谐振频率随外界应力变化，进而实现对压力、加速度等物理量的高精度测量。

又如在光学谐振传感领域，利用光学微腔中的whispering gallery mode（回音壁模式）。

光在微腔内壁不断全反射传播，形成稳定的谐振模式。

当外界环境参数如温度、折射率改变时，微腔的光学路径长度或有效折射率变化，致使谐振波长或频率偏移。

通过监测此偏移量，可精确检测环境中的温度波动、微量物质浓度变化等，在生物医学检测及环境监测方面极具应用潜力。

（二）结构设计要点1. 机械结构优化为确保谐振传感器的高灵敏度与稳定性，机械结构设计需精密考量。

采用微机电系统（MEMS）技术制造的传感器，其悬臂梁结构的尺寸、形状及材料特性对性能影响深远。

如设计纳米级厚度、特定长宽比的悬臂梁，可有效提升其对微弱力的感知能力。

同时，在梁结构中引入柔性铰链或弹簧元件，优化应力分布，降低非线性误差，增强谐振稳定性，减少外界振动干扰，提升传感器在复杂工况下的可靠性，拓展其在航空航天设备健康监测、精密工业制造等领域的应用范畴。

2. 材料选型策略材料是决定传感器性能的关键因素。

于电学谐振传感器而言，选用高磁导率、低损耗的磁性材料制作电感元件，可提升谐振电路品质因数，增强信号传输效率与灵敏度。

在高温环境应用时，陶瓷基复合材料因具备卓越的耐高温、抗氧化及机械稳定性脱颖而出。

如氮化铝陶瓷用于制作传感器基底，既能保障高温下结构稳定，又因其良好的热导率利于热量散发，防止温度过高影响传感器电学性能，确保在能源电力系统高温部件监测中稳定运行、精准测量。

微悬臂质量传感器的设计与制备的开题报告

微悬臂质量传感器的设计与制备的开题报告一、选题背景微悬臂质量传感器是一种常见的微纳加工器件，它可以感知微小的质量变化并将其转化为电信号输出，因此在微重量测量、生物传感、气体传感、环境监测等领域得到了广泛的应用。

为了实现高灵敏度、高精度的微悬臂质量传感器，需要从多个方面进行设计与制备，如悬臂尺寸、悬臂材料、传感器结构等。

二、研究目的和意义本课题旨在研究微悬臂质量传感器的设计与制备方法，包括悬臂尺寸的优化、悬臂材料的选择、传感器结构的设计等，以实现高灵敏度、高精度、高稳定性的微悬臂质量传感器。

通过该研究，可以为微重量测量、生物传感、气体传感、环境监测等领域提供更加敏感、准确、可靠的传感器，有重要的现实应用价值。

三、研究内容和方法1.微悬臂的设计与制备通过软光刻技术制备出微悬臂，优化悬臂的长度、宽度、厚度等尺寸参数，以提高其灵敏度和稳定性。

对不同材料的悬臂进行对比和分析，以选出适合的悬臂材料，并通过光刻、腐蚀、电镀等工艺制备出悬臂样品。

2.传感器结构的设计设计合理的结构来保证微悬臂传感器的性能，在传感器结构上采用氧气化铝基底，在基底上制备金属蒸发层和悬臂，悬臂的旁边可以安装反馈电容器，用于检测悬臂的位移，进而带来电信号输出。

在制备过程中周期性清洗反馈板、保证镀层的光滑程度、防止影响传感器性能的杂质等问题。

3.传感器性能测试采用静电秤等工具对微悬臂质量传感器进行测量，测试其灵敏度、压力范围、分辨率和稳定性等性能指标。

四、预期成果1.设计出高灵敏度、高分辨率、高稳定性的微悬臂质量传感器；2.掌握微纳加工技术及其应用；3.提高科研能力和实验技能，为未来从事微纳加工器件相关研究打下基础。

五、研究计划第一年：1.学习微纳加工工艺，熟悉悬臂制备流程；2.进行材料对比实验，确定悬臂材料；3.制备悬臂样品，并进行测试。

第二年：1.进行传感器结构设计，包括反馈电容器的设计和制备，旁边的补偿电容器的设计和制备等；2.搭建测试平台，对传感器进行性能测试。

微悬臂梁谐振式气体传感器研究进展

综２０年第２卷第儿期０８７述与
传感器与微系统（ｒｓｕｅａｄｉｏｓｍＴｃｎｌｉ）ＴａｄｃｒｎｃｓｔｅｈｏｇｓｎＭｒｙｅｏｅ
评论
微悬臂梁谐振式气体传感器研究进展
高伟，董瑛，尤政
（华大学精密仪器与机械学系，京１０８）清北００４
摘
要：微机械谐振式传感器已经成为微型机电系统（ＭＳ领域的研究热点。讨论了微悬臂梁谐振式ＭＥ）
气体传感器的工作原理，绍微悬臂梁表面修饰的关键技术、介主要方法和基于微悬臂梁的谐振式气体传感器领域的研究状况以及近五年以来该领域的研究进展，对基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的发展方并
式气体传感器。与此同时，随着原子力显微镜（Ｆ的发ＡＭ）展，于微悬臂梁的传感器获得了极大的发展。大量的基基
于悬臂梁的压力传感器、加速度计、陀螺、质量流量传感器
不断涌现。将微悬臂梁用于气体检测的研究自２０世纪９０年代以来得到广泛开展，多样性和灵敏度最先由其ＴｕｄｔｈｎａＴ等人和ＢｒｅａｎｓＪＲ等人阐述。由于有比其他微机械平台（，Ｃ和ＳＷ等设备）如ＱＭＡ更高的灵敏度，同时，制造工艺与Ｉ艺兼容，于微悬臂梁的谐振式化学ｃ工基
ｆｎｔｎｌａｉｎａｅｉｔｄｃｄＴｅｒｓａｃｔｔｓｏｃｏａｔｅｅｅｏａｔｇｓｓｎｏｎｔｅｒｓａｃｕｃｉａｉｔｒｎｒｕｅ．ｈｅｅｒｈｓａｕｆｍｉｒｃｎｉｖｒｒｓｎｎａｅｓｒａｄ‘ ｅｅｒｈｏｚｏｏｌｈ

谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统研究的开题报告

谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统研究的开题报告一、研究背景微悬臂梁传感器是一种高灵敏度、高分辨率的微机电系统(MEMS)传感器，广泛用于化学、生物、物理等领域，如气体检测、压力传感和质量测量等。

在微纳米领域中，微悬臂梁传感器被广泛研究，已经成为微型力学传感的热点和难点问题之一。

目前，微悬臂梁传感器的应用主要依赖于其灵敏度和选择性，但传统的悬臂梁传感器只能实现单一参数的检测，无法同时实现多参数检测。

为此，谐振式微悬臂梁传感器成为了当前微悬臂梁传感器研究的重要方向。

谐振式微悬臂梁传感器克服了传统微悬臂梁传感器单一参数的限制，可以实现多参数检测。

但是，谐振式微悬臂梁传感器的灵敏度和选择性与智能激励与检测系统密切相关。

因此，智能激励与检测系统的研究是谐振式微悬臂梁传感器的一个重要研究领域。

二、研究目的与意义目前，国内外关于谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统的研究还比较薄弱。

需要进一步深入探究谐振式微悬臂梁传感器的激励和检测方法，提高其灵敏度和选择性，以满足多参数检测的需求。

因此，本研究旨在针对谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统，开展相关理论和实验研究。

具体目的如下：1.设计和优化谐振式微悬臂梁传感器的智能激励与检测系统，提高其灵敏度和选择性，满足多参数检测的需求；2.研究谐振式微悬臂梁传感器的激励方法，探究在不同工作频率下的激励效果；3.研究谐振式微悬臂梁传感器的检测方法，探究谐振曲线的特性及其对应的多参数检测方法；4.开发谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统的软件和硬件平台，实现自动化的数据采集与处理。

三、研究内容本研究的主要内容包括谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统的设计、优化和实验研究，具体研究内容如下：1.谐振式微悬臂梁传感器智能激励与检测系统的设计与优化首先，研究谐振式微悬臂梁传感器的智能激励与检测系统，确定系统的基本结构和性能指标。

其次，设计和优化智能激励与检测系统的硬件和软件部分，包括信号处理模块、控制模块、数据采集模块、用户界面等；最后，对智能激励与检测系统进行仿真和测试，验证系统的性能。

悬臂梁振动分析及其在传感器设计中的应用

悬臂梁振动分析及其在传感器设计中的应用悬臂梁是一种常见的结构，在工程领域中有着广泛的应用。

悬臂梁的振动特性对于传感器的设计和性能具有重要影响。

本文将从振动分析的角度探讨悬臂梁的特性以及其在传感器设计中的应用。

首先，我们来了解一下悬臂梁的基本结构和振动原理。

悬臂梁是一种只有一端固定支撑的梁结构，另一端悬空。

当悬臂梁受到外力作用时，会发生振动。

振动的频率和振幅取决于悬臂梁的几何形状、材料性质以及外力的大小和频率。

悬臂梁的振动可以分为自由振动和强迫振动两种情况。

自由振动是指悬臂梁在无外力作用下的振动，其频率由悬臂梁的质量和刚度决定。

强迫振动是指悬臂梁在外力作用下的振动，外力的频率与悬臂梁的固有频率相近时，会出现共振现象，振幅会显著增大。

悬臂梁的振动特性对于传感器的设计和性能具有重要影响。

传感器是一种用于检测和测量物理量的装置，常见的传感器有压力传感器、加速度传感器等。

在传感器的设计中，需要考虑到悬臂梁的振动特性，以保证传感器的准确度和灵敏度。

首先，悬臂梁的振动频率可以用来设计传感器的工作频率范围。

传感器的工作频率范围应与悬臂梁的固有频率相匹配，以保证传感器对于特定频率的外力具有较高的灵敏度。

例如，在设计加速度传感器时，可以选择悬臂梁的固有频率与待测加速度信号的频率相近，这样可以提高传感器对加速度信号的检测灵敏度。

其次，悬臂梁的振动振幅可以用来设计传感器的灵敏度。

悬臂梁的振动振幅与外力的大小成正比，因此可以通过测量悬臂梁的振动振幅来确定外力的大小。

在传感器设计中，可以利用悬臂梁的振动振幅来测量压力、力量等物理量的大小。

例如，在设计压力传感器时，可以将待测压力作用于悬臂梁上，通过测量悬臂梁的振动振幅来确定压力的大小。

此外，悬臂梁的振动特性还可以用来设计传感器的响应时间。

悬臂梁的振动响应时间取决于其振动的衰减速度，衰减速度越快，响应时间越短。

在传感器设计中，如果需要快速响应外力的变化，可以选择悬臂梁的材料和几何形状以使其振动衰减速度增加。

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螺仪中的静电驱动方式．７因为所需的驱动电容在结
待测物质．并将因吸附而引起的悬臂梁等效质量的
改变转换为谐振频率的变化＿。该方法在高性能２Ｊ现场生化监控和识别领域有着光明的前途。
构上间隙很窄，用于液体环境中时，面临的液体在其
低频率的平面外模态。
效质量通常远远小于悬臂梁有效质量ｍ舭但是，
如后面的第３部分所述。在液体介质中振动时，需要
考虑这一项。
在流体中，谐振式传感器的Ｑ值取决于系统的
速度成正比的阻尼力＿。。这种作用会强烈地影响谐９。
振器的动态响应，尤其是悬臂梁的谐振频率 ¨ ：
卜＋斋ｌＬｍｇ２
的质量灵敏度的表达式为：
ｓ一一
、
子注入的方式分别埋置于两个微梁中。微梁与支撑梁的距离经过优化，使得悬臂梁结构平面内谐振时，质量块正向平动与反向转动相抵消，而实现了微从梁在轴向的直拉直压。当周期性脉冲电流施加在加热电阻上时，微梁会在轴向上周期性地受热膨胀．从而使质量块结构在平面内运动。另一侧的则微梁会相应地在轴向上周期性地被压缩，中的压敏电阻其
ＡｓａｔＡｈｈＱｆｃｏ（ｕｌｙｆｔ）ｎｐａｅｍｄｅｏａｔａｔｅｅｅｓｒｉｄｖｌｐｄｆｒｒａｔｅｂｏｂｔｃ：ｉ — ｔｑａｔ— ｃｏｉ－ｌ－ｏｅｒｓｎｎｃｎｉｖｒｓｎｏｓｅｅｅｏｅｌｉｉｒｇａｒｉａｒｎｌｏ —ｍ／
从一ｒ惫１ ’ 阻值（ｂ）是ＡＮＳＹＳ的模态仿真而读出谐振频率信流号电一Ｊ图１因而会周期性地改变，结果。当脉冲交。２１
流流过驱动微梁以引起热膨胀时，以看到悬臂梁可质量块结构会进入平面内谐振模态，同时抑制在较
报
第２５卷
ＷＷｃｉａｒｎｄｃｒ．ｏＷ．ｈｎｔｓｕｅｓｃｍａ
１谐振传感器分析
１１悬臂梁流体力学分析．
１２悬臂梁结构设计．
如图１ａ所示，成的谐振式微悬臂梁由一个（）制位于中间的支撑梁和一对位于支撑梁两侧的微梁构成其中一个微梁用于电热驱动，另一个用于压阻
第２５卷第７期２１０２年７月
传感技术学报
ＣＮＥＥＪＵＲＮＦＳＮＳＳＡＮＤＡＴＴＳＨＩＳＯＡＬＯＥＯＲＣＵＡＯＲ
Ｖ０＿５Ｎｏ７ｌ２．
Ｊ１２１ｕ．０２
ＤｅｉｎａｄＦｂｉａｉｎｏ－ｌｎｅｏａｃ－ｄｃｏａｔｅｅｉ／ｈｍｉｌｅｓｒｓｎａｒｃｔｆｎＰａｅＲｓｎｎｅＭｏｅＭｉｒｃｎｉｖｒＢｏＣｅｃｎｏｓｇｏｉｌａＳ
ｏｈｅｐｏｏｅｉｒｃｎｔｅｅａｅｂｅｅｔｄｉｉｎｔｒｒｓｅｔｖｌ．ｆｔｒｐｓｄｍｃｏａｉｖｒｈｖｅｎｔｓｅｎａｒａｄｗａｅ，ｅｐｃｉｅｙｌＫｅｙｗｏｒ：ｃｏａｔｅｅｅｓｒｉ— ｌｎｅｏａｃｄｑａｉａｔｒｅｅｔｏｈｒｌｅｃｔｔｎ；ｅｏａｃｎｌｉｓｄｓｍｉｒｃｎｉｖｒｓｎｏｓ；ｐａｅｒｓｎｎｅｍｏｅ；ｕｌｙｆｃｏ；ｌｃｒｔｅｍａｘｉｉｒｓｎｎｅｉｉｄｌｎ量分辨率也很差。这些问题都阻碍了悬臂梁传感器用于液体中的实时生化检测为
了克服这些困难，当前很多研究都采用增强驱动力的方法来克服液体阻尼的影响，例如压电或者静电驱动
项目来源：海市科委科技攻关项目（１１５００）上１５１０９０收稿日期：０２０ — ５２１ — ２１修改日期：０２０ — １２１ — ３３
ｄｃｅｓｈｉｕｄｒｇｆｒｅ，ｏａｉｇｔｃｎｅｔｏａｕ — ｆｐａｅｒｓｎａｃ — ｏｅｃｎｉｖｒｔｒｂｈａｉｅｒａｅｔｅｌｑｉｄａｏｃｃｍｐｒｎｏｏｖｎｉｎｌｏｔｏ－ｌｎｅｏｎｅｍｄａｔｅｅ，ｈｅｅｙ，ｖｎｇｌ
ｃｅｃｌｄｔｃｉｎｉｉｕｄ．ｉｌｃｒｔｅｍａｘｉｔｏｎｉｚｒｓｓｉｅｆｅｕｎｙｒａｏｔｎｅｒｔｄ，ｈｈｍｉａｅｅｔｏｎｌｑｉｓＷｔｅｅｔｏｈｒｌｅｃｔｉｎａｄｐｅｏｅｉｔｖｑｅｃｅｄ－ｕｉｔｇａｅｔｅｈａｒｐｏｏｅｅｓｒｉｅｌｅｙｍｉｒｍａｈｎｎｅｈｎｌｇ．ｅｉｐａｅｍｏａｔｌｖｒｒｓｎｔｒｃｎｓｂｔｎｉｌｒｐｓｄｓｎｏｓｒａｉｄｂｃｏｃｉｉｇｔｃｏｏｙＴｈｎ— ｌｎｄｅｃｎｉｅｅｅｏａｏａｕｓａｔａｌｚｙ
ＥＡＥＣＣ：２０７３Ｌ
ｄｉ１．９９ｊｉｎ１０ — ６９２１．７０１ｏ：０３６／．ｓ．０４１９．０２０．０ｓ
平面内谐振式微悬臂梁生化传感器的设计与制造术
俞锋，昕欣，海涛李于
为滑膜阻尼．而不是传统悬臂梁所受的压膜阻尼，大
大减小了振动能量的损失．以此实现在液体中的高Ｑ值谐振。该谐振传感器利用电热驱动ｌ和压阻检测８］方式，以便于信号处理和大批量集成制造。
传
８０７
感
技
术
学
是悬臂梁的自由振动频率，Ｑ取决于谐振系统的能量损失，Ｌ是悬臂梁的长度，，由流体决定的惯ｇ是
性参数，是谐振悬臂梁结构的有效质量。传感器ｍ
如果传感器在气相环境中谐振，忽略由流体惯性可
力决定的项／，ｍ因为此时流体（ｇ）起的等厶引
压膜阻尼更大本文的着重于通过研究液体对悬臂
梁施加的阻尼．出了一种全新的平面内谐振的悬臂提梁结构。这种结构在平面内谐振时，所受的阻尼主要
大多数传统的悬臂梁传感器主要工作在平面外
谐振模态ｌ．液体环境中会受到很强的阻尼力，３在Ｊ因而在与气体环境中相比时，在液体中的品质因数其
将微悬臂梁用于生化传感领域，够实现快速、能
简便、价和高灵敏度的生化检测 … 。微悬臂梁生廉化传感器主要利用生化特异性敏感膜来特异性吸附
方式 … 然而，常用于声波器件ｌ的压电驱动方通５］式．因为必须以压电材料作为衬底或者沉积压电薄膜．故而与ＣＳ技术在加工工艺上不兼容，法集ＭＯ无成信号处理电路。广泛用于高频谐振器ｌ和振动陀６］
ａｈｅｅｕｈｈｇｅ — ｃｒｆ４ｈｎｔｅｃｎｉｖｒｉｃｎｅｔｄｗｔａＰＬ（ｈｓ—ｏｋＬｏ）ｎｅｆｃｃｉｄａｍｃｉｈｒＱｆｔ９ｗｅｈａｔｅｅｓｏｎｃｉＬＰａｅＬｃ —ｏｐｉｔａｅｖａｏｏ２ｌｅｈｒ
当微悬臂梁在粘滞流体中振动时，体会阻碍其流
运动。流体对谐振器施加的作用主要是与谐振器谐振
检测频率信号。在支撑梁末端是质量块，在上面可
大面积地固定特异性生化敏感膜，膜通过两个质该
量腿与微梁相连。驱动电阻和压阻敏感电阻通过离
反应离子刻蚀（ＲＥ）ＤＩ的悬臂梁制作方案，并分别在空气和水中对悬臂梁的谐振特性进行了测试。
关键词：悬臂梁传感器；平面内谐振模态；品质因数；驱动；中谐振电热液体
中图分类号：Ｐ１．Ｔ２２２
文献标识码：Ａ
文章编号：０４１９（０２０ — ８９０１０ — ６９２１）７０６ — ７
ｃｒｕｔｉｔｒＦａｒｃｔｎｐｏｅｓｓｂｓｄｏＯ１ｗａｅｓａｄＤｅｐ— ＥｓｂｅｒｓｎｅＲｅｏａｔｐｒｐｒｉｓｉｃｉｎｗａｅ．ｂｉａｉｒｃｓｅａｅｎＳｆｒｎｅＲＩｈａｅｎｐｅｅｔｄ．ｓｎｎｏｅｔｅｏ