[发明专利]基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS领域、生物医学以及化学工程领域，尤其涉及一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器。

背景技术

70年代以来谐振式传感器在电子技术、测试技术、计算技术和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来^【1】。随着MEMS科技的快速发展，谐振式传感器的尺寸减小到了微米，亚微米甚至纳米量级，可对温度、热能、磁场和质量等多种物理量进行高精度测量，因此被广泛应用于化学分析、生物检验、医药筛选和环境监测等各个领域。

近几年，针对基于微悬臂梁结构的高灵敏生化检测研究已经成为研究热点^【2】。2000年，Cornell大学的H.G..Craighead等人发表了关于谐振式微机械悬臂梁检测细胞的文章^【3】。用PECVD制备100μm×20μm×0.32μm的Si₃N₄悬臂梁，在其前段涂覆O157：H7抗体后，可以选择性吸附的E.coli细胞，悬臂梁由热噪声激励，用激光PSD检测系统检测悬臂梁的振动频率，最小可检测频率变化约为10Hz，相应的在空气中可检测的最小质量约为1.5pg。2004年，美国Purdure大学的R.Bashir等人用SOI硅片制作了尺寸更小的3.6μm×1.7μm×0.03μm的单晶硅悬臂梁，谐振频率约为1.2MHz，探测灵敏度约为6.3Hz/ag，采用热噪声激励，激光PSD检测，在空气中检测到了一个天花病毒(9fg)。

但是，基于悬臂梁结构的传感器仍然存在着许多技术问题，如：大面积吸附引起悬臂梁弹性常数变化，产生频率偏移而导致的测量误差；梁在液体生化环境中悬臂梁品质因子大幅降低^【4】，导致检测灵敏度降低等等。另外，对于便携式器件，高灵敏的自检测结构至关重要。常用的光学探测虽然具有灵敏度高的优势，但是光学元件会增大系统的体积和成本。因此，迫切需要开发基于新型悬臂梁结构的便携式，高灵敏度的生化传感器。

参考文献：

【1】R.T.Howe，R.S.Muller，K.J.Gabriel and W.S.N.Trimme r，Silicon micro-mechanics：sensor and actuators on a chip，IEEE Spectrum，7，29-35，1990.

【2】A.Hierlemann，O.Brand，C.Hagleiter and H.Baltes，Micro-fabrication techniques for chemical/biosensor，proceedings of the IEEE，6，839-863，2003.

【3】B.Ilic，D.Czaplewski，H.G.Craighead，P.Neuzil，C.Campagnolo and C.Batt，Mechanical resonant immunospecific biological detector，Applied Physics Letter，77，450-452，2000.

【4】Ekrem Bayraktar，Deniz Eroglu，Ata Tuna Cifilik，A MEMS based grabimetric resonator for mass sensing applications，IEEE 24^th International Conference，817-820，2011.

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了实现对待测分子的实时实地高灵敏检测，需要在高灵敏的频率检测技术、消除吸附导致的频率测量误差、减小检测环境对器件稳定性的影响等方面进行技术突破，本发明提出了一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器。在悬臂梁自由端设计了局域修饰结构，可消除大面积吸附产生的频率测量误差，同时减小了溶液对悬臂梁品质因子的影响；用自集成的压阻条和惠斯特桥电路来检测悬臂梁频率变化，很好满足便携式应用需求。

(二)技术方案