微膜尺寸与吸附物对微膜生化传感器动态特性的影响.pdf

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1、2015年第34卷第8期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)19DOI：10．13873／J．1000-9787(2015)08-0019--02微膜尺寸与吸附物对微膜生化传感器动态特性的影响孥勇(山东大学机械工程学院，山东济南250061)摘要：以微膜生化传感器为研究对象，利用ADINA软件进行模态分析，获得了微膜生化传感器在液态介质影响下的固有频率，分析了微膜结构尺寸和吸附物对传感器动态性能的影响。研究表明：微膜生化传感器的固有频率随着微膜厚度的增大而增大，随着微

2、膜半径的增大而减小。吸附物质量使传感器的固有频率降低，吸附物的吸附位置也对传感器的固有频率产生影响。关键词：生化传感器；模态分析；微膜；动力学中图分类号：TH79文献标识码：A文章编号：1000--9787(2015)08-0019--02Efect0fmicro-diaphragmsizeandadsorbate0nd’ynami●cDroderi-t·es0Inmi‘cro-d'i-ap’hrat~m1Dl●0C’11eml●Ca●ISenS0rLIYong(CollegeofMechanicalEngineerin

3、g，ShandongUniversity，Jinan250061，China)Abstract：Microdiaphragmbiochemicalsensoristakenasresearchtarget，modalanalysisiscarriedoutusingADINAsoftware，naturalfrequenciesofsensorinliquidmediumisobtained，influenceofsizeofmicrodiaphragmandadsorbateondynamicpropertyofsen

4、sorareanalyzed．Researchshowthatnaturalfrequenciesofthesensorincreasewiththicknessofmicrodiaphragmincreasesandnaturalfrequenciesdecreasewithradiusofmicrodiaphragmincreases．Andadsorbateslowerthenaturalfrequenciesofthesensor，andpositionofadsorbatealsoinfluencesnatur

5、alfrequenciesofthesensor．Keywords：biochemicalsensor；modalanalysis；microdiaphragm；dynamics0引言1微膜生化传感器微生物传感器是一种检测微生化物质的装置，具有高1．1微膜生化传感器结构度的检测敏感性、操作简单、检测速度快等优点，广泛应用图1为一种微膜生化传感器示意图，传感器由微膜、检于化学、生物、物理等领域]。微悬臂梁传感器就是一个测电路和腔体等结构组成。含有待检测微生化介质的典型的应用，在空气中，微悬臂梁传感器检测灵敏度高，且微流体从

6、进口进入传感器，当特定的微生化介质吸附在微具有很高的品质因数和检测时不需要标记J。但是在液膜表面的敏感层时，微膜的固有频率会发生变化，通过检测态检测环境中，液态介质的阻尼作用使微悬臂梁传感器的频移来达到检测介质的目的。品质因数显著降低J。最近研究表明，微膜作为检测平台1．2有限元建模与网格划分在液态介质中具有更高的质量敏感性和分辨率J。微膜根据传感器的结构尺寸在ADINA中建模，腔体简化为生化传感器的工作过程是将检测微生化介质的过程转变圆柱形结构，腔体内液体的流速十分缓慢，简化为静止的液为可检测电信号的过程。微膜生化传感

7、器的动态性能会体域，液体域边界为固壁面边界条件，微膜形状为圆形，采用受到微膜尺寸、吸附物质量的影响，研究这些因素对微膜固支边界条件，有限元模型如图2所示。微膜选用的单元类生化传感器动态性能的影响规律是发展微膜生化传感器型为四节点Shell单元，并规定杨氏模量为6．1×10Pa，密的基础。度为7．5×10。ks／m3，泊松比为0．3。液体域半径为140m，本文利用流固耦合分析软件ADINA对微膜生化传感深度为8Om，液体密度为l000ks／m3，采用势流体单元。最器在液态介质中的动态特性进行了模拟研究，分析了微膜后对模型进

8、行网格划分，分析类型为模态分析，采用Lanczos尺寸和吸附物的影响。求解方法，ADINA软件能够自动识别流固耦合面。收稿日期：2014-06-2020传感器与微系统第34卷从图5可以看出：吸附物质量使固有频率减小，固有——频率随着吸附位置离微膜中心距离的增大而增大，吸附位置在微膜中心时，固有频率最低。吸附位置在微膜