基于微悬臂梁的化学传感器的灵敏度研究

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1、万方数据第2l卷第8期2008年8月传感技术学报aI矾ESEJ顶瓜NAI，0FsEN90RSANDACnIAToRSv01．21No．8A-ug．2008StudyonSe璐itiVitiesofMicroc肌tileVerChemicalSe璐ors’WANGD口0如1，HUF矗挖g．-rD以91”，yA0，“咒1．，QJUCh懈行七日i1，WANGAi一7z口1r1．S纽抛K删工舶o，Micro如6一c口￡to，l口tldO≯疵s钕^tlofogy，hst讥“go，(枷如口谢日盯￡r雠￡cs，1CJlf艘靶A∞dmyo，&i唧P，吼M鲥“610209，cIli嘲2．∞zP驴o／睨盯

2、￡，伽缸Ekgi船删昭，G“iz抽【胁iw邝f砂盯日耐r彻缸‰^，lD幻副，G“iz抽541004，cIIf船JAbst翰ct：Toanalyzetheresonancefrequencyshiftsofvariousconstructedbeamsinthedynamicmode，thefiniteelementanalysishasbeenperfomedbyusingthesoftwareIntelliSuite．Itshowsthatthemostsensi—tivestructureisthetriangularshapedcantileverbearn．Thus，adeta

3、ileddynamicanalysisonthetrianguIarbeamispresented，andtherelationshipbetweenthefrequencyshiftandstructuralparametersisgiVen．Thedeflectionofeachtypeofcantileverbeamsinthestaticmodekeepsconstant，whichdemonstratesthattheirstaticsensitivityisindependentofthestructureshapes．!沁mesuggestionsonoptimizing

4、thedesignpar锄一etersformicrotrianglesarepresented．Keywords：sensitiVitiesofchemicalsensors；triangularmicrocantileverbeam；dynamicmode；staticmodeEEACC：7230J；2575基于微悬臂梁的化学传感器的灵敏度研究*王大甲1，胡放荣1’2，姚军¨，邱传凯1，王爱娜1，1．中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，成都610209；、＼2．桂林电子科技大学电子工程学院。桂林541004，摘要：基于探测的原理，在动态模式下，首先对不同结构梁的

5、本征频率偏移量进行了有限元分析，结果表明三角形梁的灵敏度最高。然后重点针对不同结构参数的三角形梁进行了动态计算，获得了其频率偏移量随结构参数变化的关系曲线。另外，通过静态模式下的有限元计算，发现各种梁自由端的偏移量相同，表明它们的静态灵敏度与形状无关。最后，对三角形梁在不同测量模式下结构参数的优化设计进行了分析。关键词：化学传感器灵敏度；三角形微悬臂梁；动态模式；静态模式中图分类号：TP212．2文献标识码：A文章编号：l004-1699(2008)08-1333．一咐近年来，基于微悬臂梁的化学传感器由于具有尺寸小、低能耗、反应时间快、高灵敏度等优点而得到了广泛的研究和应用，例如在扫描

6、探针显微镜、气体探测、生物化学分析、质量和加工控制等领域。最近，报道了一种基于微悬臂梁的纳米尺寸的生化传感器，可以实现实时而且无需标记的DNA检测，有可能成为新一代的生物芯片[1]。微悬臂梁型的传感器最重要的优点是具有极高的灵敏度，这不仅和梁的几何形状有关，而且和所覆盖的树脂材料及其厚度有关[2]。研究人员曾经采用基金项目：中科院光电技术研究所“百人计划”科研基金资助收稿日期：2008一01一02修改日期：2008一03—1l各种技术来提高这些传感器的灵敏度，例如减小它们的尺寸，优化覆盖层的厚度，或者使它们工作在高阶模式[3]。美国Cornell大学的研究人员则研制出了一种分辨率达到1

7、e-18克的微悬臂梁传感器[4]。本文将利用有限元方法，就微悬臂梁形状和结构参数对化学传感器的动态以及静态灵敏度的影响进行研究。1化学传感器的工作原理这里研究的化学传感器是利用微悬臂梁的机械万方数据1334传感技术学报2008年响应特性工作的，当微悬臂梁上覆盖的一层选择性薄膜吸收外界气体后，会造成梁质量的增加和其表面应力的改变，这将导致梁的频率和其自由端发生偏移，根据这些偏移量的大小，就可以实现对未知气体定性或者定量的测量[5]。测量模式包括动