微悬臂梁传感器及其在生化领域的应用

2.2谐振工作模式

　　微悬臂梁在气体中或者在真空中工作时可以将其作为弱阻尼的机械振荡器。使用交变电场或磁场激励可以使其振荡。谐振工作模式的常用方法是微悬臂梁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，就可以反映出微悬臂梁吸附待测物的多少。微悬臂梁的谐振行为可以用Hook定律来描述。对矩形微悬臂梁，其弹性系数k可由公式(2)得到：

 
　　其中：w、t、l分别是微悬臂梁的宽度、厚度和长度，E是构成微悬臂梁的材料的弹性模量。忽略环境介质的阻尼效应，则微悬臂梁的基频谐振频率f0为：

 
　　其中：m0是悬臂梁的有效质量。

　　设悬臂梁吸附了待测生物化学分子之后，发生了质量改变△m，悬臂梁谐振频率变为f1，则由公式(3)可以得到：

 
2.3读出技术

　　微悬臂梁传感器的一个重要组成部分是一套能够将微悬臂梁的有关变化实时输出的读出系统。微悬臂粱的读出方法主要有光学方法和电学方法两类。其中光学方法常用的是光束偏转法，电学方法包括压阻法、压电法和电容法等。

2.3.1光束偏转法

　　光束偏转法的测量原理如图1所示，激光二极管发出的激光束打在悬臂梁的自由端，以自由端上的金属层作为反射镜，将入射的激光反射出去，通过位置敏感探测器(PSD)接收反射光，PSD输出的电信号通过信号处理电路计算出入射在PSD上光束的位置，从而可以反映微悬臂梁的弯曲变化。这种方法可以应用于透明的液体中，并且具有线性响应、简单可靠、测量精度高等特点，其缺点是PSD的输出受周围环境的影响，信号处理电路的噪声也是影响测量精度的重要因素之一。

2.3.2压阻法

　　压阻效应是指半导体材料在应力作用下，禁带宽度发生变化，引起载流子的浓度和迁移率发生变化，从而使材料的电阻率发生变化。在硅悬臂梁上的合适区域进行掺杂，悬臂梁弯曲的时候，会引起掺杂区的电阻变化，因此，可以通过掺杂区的电阻变化来表征悬臂梁的偏转。目前，显示出较强的压阻效应的材料是掺杂的单晶硅。悬臂梁上掺杂区的电阻变化可用惠斯通电桥来检测。压阻法的优点是其信号读出电路可以和CMOS工艺兼容，并且不受悬臂梁周围介质的影响。压阻法的缺点是读出信号过程中有电流流过悬臂梁，导致悬臂梁发热而产生附加的悬臂梁弯曲和电阻变化。另一方面压阻法无法应用在液体环境中。

2.3.3压电法

　　当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就会产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。利用这种效应，在悬臂粱表面淀积压电材料(通常是ZnO)，当悬臂梁弯曲时，在压电层就会产生感应电荷，感应电荷的多少就反映了悬臂梁的弯曲程度。压电法的优缺点与压阻法的大致相同。

2.3.4电容法

　　电容法的测量原理是如果改变两块平行板之间的距离，则两块平行板之间的电容就会改变。将悬臂梁作为可动的平行板，则悬臂梁弯曲的变化就可以通过电容的变化来表征。

3 微悬臂梁的设计与制造

3.1设计与制造

　　设计悬臂梁时，需要重点考虑的参数是灵敏度、噪声、弹性系数、响应频率等。一个高性能的悬臂梁通常需要具有高灵敏度、低噪声、高响应频率和低弹性系数。这些参数取决于悬臂梁的几何形状、材料的机械性质以及制作悬臂梁的工艺条件等。这些要求并不能全部满足，比如降低弹性系数同时会降低响应频率，在设计时要根据使用场合综合考虑。 悬臂梁的制造可以通过硅微加工工艺来实现。常用的加工工艺有光刻、刻蚀、薄膜工艺等。一个典型的制造工艺流程如图2。

　　图3是我们按照上述方法设计制造的微悬臂梁，在梁的自由端增加了一个反射面，它将用于分子构象探测方面的研究。

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