平面内谐振式微悬臂梁生化传感器的设计与制造

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
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（． １ 中国科学院上海微 系统 与信 息技 术研究所 ， 上海 ２ ０ ５ ；． ０ ０ ０ ２ 中国科学 院研究生 院 ， 北京 １０ ４ ） ０ ０９
摘 要 ： 出了一种新 型的基于平面内谐振模态 的电热驱动微悬臂 梁的工作原理和制 造方案 。相 比于传统 的平 面外谐振 模 给
态谐振式悬臂 梁 ， 该设计能有效地 降低 微悬臂梁在液体 中工作 时的拖 曳力 ． 从而 降低其振 动能 量损失 ， 使得 其接入 锁相环 接 口电路后 的闭环 品质因数达到 了 ２９ ４ 。电热 驱动和压阻检测方式 便于 工艺集成 和快速 检测 。本 文给 出了基于 Ｓ Ｉ 片和 深 Ｏ硅
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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 Ｃ Ｓ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 ］
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 ｌ Ｌ ｍ ｇ ２
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
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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
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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
第２ ５卷 第 ７期 ２１ ０ ２年 ７月
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＵＲＮ Ｆ Ｓ ＮＳ Ｓ ＡＮＤ Ａ Ｔ Ｔ Ｓ ＨＩ Ｓ Ｏ ＡＬ Ｏ Ｅ ＯＲ Ｃ ＵＡ ＯＲ
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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
８ ０ ７
感
技
术
学
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 ２ Ｊ 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
反应离子刻蚀 （ ＲＥ） Ｄ Ｉ 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 ： Ｐ １ ． Ｔ ２ ２２
文献标 识 码 ： Ａ
文章编 号 ：０ ４ １ ９ （ ０ ２ ０ — ８ ９ ０ １０ — ６ ９ ２ １ ）７ ０６ — ７
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
Ｅ Ａ Ｅ ＣＣ：２ ０ ７３ Ｌ
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ — ６ ９ ２ １ ． ７ ０ １ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ４ １ ９ ． ０ ２ ０ ． ０ ｓ
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
（ Ｑ值 ） 大大 降低 ， 质量 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 （ １ １５ ００ ） 上 １５ １０ ９ ０ 收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ５ ２ １ — ２ １ 修 改 日期 ：０ ２ ０ — １ ２ １ — ３ ３
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 。 ２ １
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２ ５卷
Ｗ Ｗ ｃｉａｒｎｄ ｃｒ．ｏ Ｗ ．ｈｎ ｔ ｓｕｅｓ ｃｍ ａ
１ 谐 振传 感 器分 析
１ １ 悬臂 梁流 体 力学分 析 ．
１ ２ 悬 臂梁 结构 设计 ．
如 图 １ ａ 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
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