[发明专利]一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统及其痕量检测方法

说明书

本发明公开了一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统及检测方法，系统包括衬底以及对称置于衬底上、下表面结构相同的第一和第二谐振测试系统；第一和第二谐振测试系统均包括位于衬底上的基座、支撑于基座上的上极板以及位于衬底表面中央的下极板；上极板包括三角形质量块和与其连接的至少两根股梁；三角形质量块与股梁连接点之间加入节胫，股梁的另一端分别扩散横向和纵向型压阻电阻，并与基座连接；下极板和三角形折叠梁质量块之间存在空气间隙；驱动电压一端与第一和第二谐振测试系统的下极板连接，另一端分别与第一和第二三角形折叠梁质量块连接。本发明利用外接电路检测两个输出信号，排除温度、湿度变化对频率检测的影响，提高测量精度。

技术领域

本发明涉及微机电系统中，通过硅微机械加工技术制造的MEMS折叠梁质量块结构系统来测试硅纳米梁的谐振频率技术，特别是涉及一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统及其痕量检测方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)，是指利用微机械加工技术，在硅衬底上把可以批量制作、尺寸在1μm～1mm的微型机构如激励器、传感器和执行器等集成于一体的微型器件或系统。系统具有体积小、成本低、易于集成和批量生产等特点。

随着微机械系统技术的不断发展与合作，硅微机械传感器应运而生，而在硅微机械传感器的各种工作方式中。其中，最有前途、最具吸引力的是谐振的工作方式。微系统谐振器正是利用这种谐振的工作方式，进而检测谐振频率。利用这种检测谐振频率的方式，当质量m₀发生改变时，又能够检测出f₀的变化。

近年来，随着微电子技术加工工艺及纳米加工技术的进步，人们已经能够很容易制造出纳米量级的固支梁、悬臂梁和纳米线。硅纳米梁是微机电系统中的典型结构，它的质量微小，功率很低，做成的谐振器的谐振频率最高高达GHz，品质因数也可达10³，具有10－24牛顿的超高力学灵敏度。这些优异的性能使纳米梁在高频振荡信号的产生与处理、超高灵敏质量探测、超小力、超小位移探测、生物化学传感等方面有很好的应用前景。由于质量极小，连接纳米梁的质量块自身质量或外界工作条件与环境的微量变化，会导致梁的谐振频率较大的变化，这非常有利于微弱信号的探测，使硅质量块谐振器成为痕量检测的主要工具。因此，质量块谐振器有望用于水环境中重金属汞离子的痕量检测，实现高灵敏度检测与监测。

谐振器结构共分为三类：一是悬臂梁质量块结构，采用静电激励压阻检测。二是折叠梁质量块结构，同样采用静电驱动压阻检测。三是两端固支梁结构，采用静电激励MOSFET检测。悬臂梁质量块结构由于质量块一般在悬臂梁的末端，质量块吸附完离子以后，在进行痕量检测时，梁极其容易塌陷，导致测试系统失效；而两端固支梁结构由于梁的吸附面积小而不利于进行痕量检测。设计出一种简单易行的谐振结构，为频率测试以及痕量检测方法提供更多地选择，很有意义。

现有的痕量检测方式(1)仪器分析法，目前被广泛采用。缺点则是要对样品进行前处理，并且由于采用较大型的光谱仪器，需要昂贵的仪器设备、较繁琐的样品准备程序，不能满足现场快速检测的需求。在样品的前处理阶段，通常都要形成汞原子蒸气，这极易造成有害气体的挥发和泄漏，必须采取严格的安全防护设施和措施，这无疑使测试手续更繁琐，也增加了测试的成本。(2)电化学分析法，是建立在物质在溶液中的电化学性质基础上的一类方法，这种方法的检出限大多在μg/L量级(3)生物检测的方法灵敏度与准确性低，有些还只能进行定性检测，检测结果的重复性和稳定性都不够好，检测的灵敏度也比较低。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种用于纳机电痕量检测的双层复用型三角形折叠梁质量块结构的谐振系统。

技术方案：一种双层复用型三角形折叠梁质量块谐振系统，包括衬底、对称置于衬底上、下表面的第一谐振测试系统和第二谐振测试系统、驱动电压以及外接电路；