微悬臂梁传感器研究报告

电子科技大学光电信息学院课程设计论文课程名称传感技术题目名称微悬臂梁气体传感器研究

学号2705105018姓名张波指导老师太惠玲起止时间2010年5月1日至2010年5月30日2010年5月30日电子科技大学光电信息学院课程设计任务书一、课程名称___传感技术_____________________二、课程设计题目_______微悬臂梁气体传感器研究_________________________________三、课程设计目的随着MEMS技术（MicroElectro-MechanicalSystem）的飞速发展及其在传感器领域的应用，以微悬臂梁为基础构成的生物化学传感器成为传感器领域的一个研究热点与难点。该类型气体传感器的制备与检测涉及材料、半导体工艺与电路等各个学科，因此本课程设计旨在通过对微悬臂梁气体传感器国内外研究现状的考察与分析，充分理解该类型传感器的工作原理，并掌握其制备工艺与测试技术。四、课程设计要求本课程设计要求在查阅微悬臂梁气体传感器国内外文献的基础上，掌握该类传感器的传感模式、表面修饰技术、MEMS工艺及检测电路的设计与制备等关键技术，并完成课程设计报告。五、课程设计任务和内容材料，机理器件。检测电路（1）理解微悬臂梁气体传感器的敏感机理；（2）学习微悬臂梁气体传感器的表面修饰技术和MEMS制备工艺；（3）学习微悬臂梁气体传感器后端检测电路的设计；（4）完成课程设计报告。六、参考文献[1]J.Zhou,P.Li,Zeolite-modifiedmicrocantilevergassensorforindooraircontrol,SensorsandActuatorsB,2003,94(3):337-342[2]J.Zhou,P.Li,Self-excitedpiezoelectricmocrocantileverforgasdetection,MicroelectronicEngineering,2003,69(1):37-46[3]G.Zuo,X.X.Li,P.Li,TraceTNTvapordetectionwithanSAMfunctionpiezoresistiveSiO2microcantilever,AnanlyticaChemicalActa,2006,580:123-127[4]D.Ying,G.Wei,Y.Zheng,Thermally-excitedMEMScantileverresonatorforgassensing,NanotechnologyandPrecisionEngineering,2009,7(2):119-122指导教师签名：太惠玲日期：2010年4月13日微悬臂梁气体传感器研究摘要:微机械谐振式传感器已经成为微型机电系统(MEMS)领域的研究热点。微悬臂梁传感器以其体积小、成本低、灵敏度高等优点在生物化学领域获得了广泛的研究和初步应用。本文综述了微悬臂梁气体传感器的工作原理及敏感机理、介绍微悬臂梁表面修饰的关键技术、MEMS制备工艺主要方法、后端检测电路的设计和基于微悬臂梁气体传感器领域的研究状况以及对基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的发展方向和应用前景的展望。关键词：敏感机理、表面修饰、MEMS制备工艺、检测电路。前言：传感器是一种可以获取有用信息并将其转换成可用信号（光信号、电信号）的特殊装置，它在信息处理系统中占有十分重要的地位，广泛应用于生产、科研和生活的各个领域。气体检测在人们生产生活中的应用十分广泛,特别是在安全生产方面,如,矿井作业、毒气的生产运输。气体传感器直接关系到人们的生命财产安全。微机电系统(MEMS)技术是基于微电子技术的微器件加工制造方法，其中悬臂梁结构是最简单的微结构，利用它可以探测到极小的位移或质量的变化，这使得微悬臂梁成为高精度高灵敏气体传感器的理想选择。随着微加工技术的提高与薄膜技术的发展,近几年微机电系统传感器在气体检测方面受到广泛关注。运用MEMS技术的气体传感器种类很多，根据不同的检测原理可以分为：1)根据气体自身的光声学和光学特性，结合MEMS结构制作的传感器，代表种类有声光光谱法和光谱法；2)采用气体敏感膜的化学吸附机理，代表种类有电导变化型、悬臂梁型和声表面波型；3)针对易燃易爆气体，采用的催化燃烧式检测；4)从离子迁移谱原理改进而来的高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术。MEMS气体传感器相对于传统的榆测手段，具有体积小、灵敏度高、响应快、易于阵列集成等多方面优势，是未来气体传感器发展的一个主要方向。由于分子的吸附而导致的微悬臂梁弯曲偏转量的变化主要是由于分子吸附在微悬臂梁表面后，在上下表面产生了不同的应力。分子吸附在悬臂梁表面之前，悬臂梁上表面和下表面的应力处于平衡，产生一个沿着微悬臂梁中间平面的径向力，当分子吸附到微悬臂梁上下表面后，它们对上下表面应力的影响不一样，基于悬臂梁弯曲的测量方法在生物和化学探测中更具有吸引力【1】。1微悬臂梁工作原理敏感机理：微悬臂梁作为气体传感器，在微悬臂梁的表面通常涂镀金属膜或有机聚合物作为化学敏感层，在微悬臂梁吸附了某种气体后，通常会产生两种物理量的变化:共振频率或表面应力。当敏感层吸附气体后，质量产生变化，敏感层将气体浓度的变化转换为微悬臂梁共振频率的频移，频移的大小即反映了吸附气体的多少。微悬臂梁表面应力的变化是由于敏感层分子和吸附分子间力的相互作用，使微悬臂梁产生弯曲。由此，微悬臂梁有两种不同的工作模式：静态工作模式和谐振工作模式，下面分别进行介绍。1.1静态工作模式【2】如果把待检测的分子吸附在微悬臂梁的一个表面，而另外一个表面不吸附待测分子，由于分子之间的相互作用会在微悬臂梁上下表面引起应力差，从而导致微悬臂梁弯曲。微悬臂梁上下表面的应力差(σ1～σ2)可以通过Stoney方程[1]来计算。σ1-σ式中：L和t分别是微悬臂梁的长度和厚度，Δd是微悬臂梁自由端的位移而E和ν则是所用材料的杨氏模量和泊松比。由上述方程我们可以看出，Δd与(σ1～σ2)成正比，为了提高微悬臂梁的灵敏度，必须把微悬臂梁的一个表面修饰为对目标分析物不敏感，而另外一个表面修饰为对目标分析物具有高亲合力，以产生大的上下表面应力差。静态工作模式一般结合光学读出方法来读出微悬臂梁的弯曲量，一个典型的例子如图1。1.2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胡克定律来描述。对矩形微悬臂梁，其弹性系数k可由公式【2】得到k=Ewt3/4l3【2】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：f0=12π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Δm，悬臂梁谐振频率变为f1则由上面公式可以得到：∆m=k4π2(1.3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。微悬臂梁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。1.3.1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。1.3.2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。1.3.3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。1.3.4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。2悬臂梁的设计与制造（MEMS简单制备工艺）2.1悬臂梁设计考虑因素设计悬臂梁时，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【3】。悬臂梁的设计主要考虑了不同结构的悬臂梁在流体中的稳定性以及悬臂梁光束的质量。悬臂梁使用低压化学（LPCVD）法生长的氮化硅作为结构材料腐蚀掉硅沉底之后，减少悬臂梁的变形化硅的时候必须采取合适的生长条低氮化硅的薄膜应力和应力梯度。氮化硅度是1.5μm,首先使用光刻，然后使用蚀（RIE）在氮化硅薄膜上形成悬臂梁案。在悬臂梁的上表面淀积上一层厚度金膜，在生物和化学探测中可以通过A成的或者生物分子固定在悬臂梁表面。为了达到光学读出所要求的反射率，金属层的厚度一般为50~150nm。最后腐蚀掉硅衬底，释放得到悬臂梁。悬臂梁制造过程的主要步骤如图2，不同结构的悬臂梁如图3。图2悬臂梁制作过程的主要步骤图3不同结构形状的悬臂梁2.2敏感材料与微悬臂梁的固定技术微悬臂梁传感技术的一个关键和难点是生化敏感材料与梁的固定。这种固定既要考虑检测的可靠性与灵敏度，不能使生物分子失活；还要考虑解吸附与梁的重复利用问题。固定方法有吸附法、包埋法、交联法、共价键结合法等，这些方法各有优缺点，如常用的吸附法操作简单，但结合力弱；共价键结合法连接牢固，可重复使用，是目前研究中最活跃的一类方法，但该法比其它方法反应剧烈，生物分子活性损失更加严重【4】。3微悬臂梁的表面修饰微悬臂梁谐振式气体传感器有三项关键技术:激励、检测和表面修饰。微悬臂梁的表面修饰是指吸收气体分子的敏感层的制作。在微悬臂梁表面制作特定气体的敏感层是实现气体传感器的关键步骤,因为敏感层直接影响传感器的灵敏度和可重复性。如何制作与悬臂梁表面紧密连接又稳定可靠的敏感层已成为微悬臂梁气体传感器目前最主要的挑战。希望用于吸收气体分子的敏感膜平坦、均匀、紧凑,以避免影响悬臂梁的机械特性,同时产生均衡的应力变化,而且,反应过程必须具有可重复性。通常,需要淀积Au等重金属作为敏感层的基底或者作为气体吸收反应的催化剂,并通过蒸发或者溅射工艺来控制敏感层的厚度和分布情况。目前,已形成多种制作敏感层的技术和工艺,例如:单分子层自组装技术、旋转涂胶法和溶胶—凝胶法等。利用单分子自组装技术(SAMS)可以自动生成均匀、质密、稳定的由不同链长的分子合成的具有特定化学性质的单分子层。这些单分子层非常适合用来将气体分子吸收在基底上。对于一般的阵列悬臂梁来说,可以将悬臂梁插入一排与阵列的尺寸相匹配的玻璃毛细管,每一个悬臂梁对准一个毛细管,毛细管里充满了要涂的液体,液体通过毛细管缓缓的流向悬臂梁,从而完成悬臂梁的表面修饰。该方法可以成功地将很多材料淀积在悬臂梁上,例如:聚合体溶液和自组装单分子层等。由于用毛细管阵列需要手动操作,因而,不适合很大数量的悬臂梁阵列,而且,利用毛细管制作的敏感层会覆盖悬臂梁的双面,这也是制作单面敏感层应该避免的情况。定位喷液是一种快速可靠的方法。注射喷头位于水平放置的悬臂梁上方,可以利用一个压电注射控制系统使液滴依次滴到悬臂梁上面。定位喷液法可以通过注射液滴的数量来准确控制敏感层的厚度。4后端检测电路的设计4.1微悬臂梁结构框图图4微悬臂梁结构框图如图4，系统工作过程为微悬臂梁固定在支架上，利用计算机程序通过数据采集卡的模拟输出端口为微悬臂梁上的压电薄膜加上正弦电压激励信号。保持激励信号的幅值不变，由计算机控制数据采集卡的输出端发出的信号频率在给定区间内从一端向另一端以足够小的频率间隔逐渐增加，并在每个频率保持一定时间。从而使微悬臂梁振动，使其表面的压电薄膜表面应力发生变化，产生微弱的压电电流。这个电流送至前置放大器进行放大并转换成电压信号，然后经二级放大后，输出的电压信号反映了该频率下微悬臂梁的振幅。此电压信号经数据采集卡采集到计算机中，记录下来。4.2激励电路设计将电流信号转换成电压信号，然后通过前置放大、二级放大二次放大。如图5图5信号放大流程微悬臂梁上的压电薄膜产生的电流信号很微弱，如此微弱的信号要交由后级电路使用必须使用前置放大器【5】。并且分析了各种电阻构成的放大器随频率的变化情况，选择前置放大电路的反馈电阻为100k。4.3放大检测电路如图6图6放大检测电路对于上图理想的运算放大器，放大倍数为A=10k1k*100k5结束语微悬臂梁传感器以其体积小、成本低、灵敏度高等优点获得了越来越多的研究与应用，为生化物质的检测提供了一种新方法，具有诱人的应用前景和很大的市场潜力。但是微悬臂梁传感器还存在许多问题，如检测的可靠性与灵敏度有待提高，如何实现定量分析等。微悬臂梁传感器的一个重要发展方向是将其与分析化学、计算机、电子学、材料科学与生物学、医学等交叉，可以组建芯片实验室，实现化学分析检测，有可能导致化学分析领域的一场革命。基于微悬臂梁气体传感器已经显示出了优越的性能,它们的主要优点在于高精度、低功耗、与IC工艺兼容易于实现、成本低、体积小易于操作、能实现阵列化等。到目前为止,微悬臂梁谐振式气体传感器的精度已经可以和其他传统的气体检测方式相媲美,阵列化是基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的无可比拟的优势,它可以提高检测精度,还可以用来实现多种气体的同时测量。因此,基于单芯片集成的电学检测方法、高选择性和可重复性的敏感层、增大阵列(>100甚至成千上万)是当前微悬臂梁谐振式气体传感器发展的主要方向。现阶段制约微悬臂梁谐振式气体传感器发展的主要问题在于悬臂梁的表面修饰即敏感层材料的选取和敏感层制作。目前,由于可用的优良的化学试剂有限,悬臂梁传感器的发展需要更成熟的表面修饰技术和理论支持;另一方面,到目前为止基于悬臂梁的传感器还没有得到广泛应用的成熟的产品问世。但大批的科研工作者们正积极从事于悬臂梁的表面修饰和气体敏感膜的研究,这无疑展示了基于微悬臂梁的谐振式传感器的市场价值。可以确信,基于微悬臂梁的谐振式气体传感器必将会得到广泛的应用。参考文献：张海霞.郭辉.张大成.徐嘉佳.郝一龙集成化MEMS工艺设计技术的研究[期刊论文]-纳米技术与精密工程鲍海飞，李昕欣，王跃林．微悬臂梁法向弹性系数的标定方法与分析[J]．测试技术学报，2006，20(1)：21—26．唐洁．压电微悬臂粱传感技术的研究[D]．天津：天津大学2005。MinYue,HenryLin,DanielEetal.,A2-DMicrocantileverArrayforMultiplexedBiomolecularAnalysis[J].JournalofMiccroelectromechanicalSystems,13,(2):APRIL2004.ArakawaET,LavrikNV,RajicSetal,Detectionanddifferentiationofbiologicalspeciesusingmicrocalorimetricspectroscopy[J].Ultramicroscopy,2003,97:459-465.自春礼，田芳，罗克．扫描力显微术[M]．北京：科学出版社，2000．课程设计总结：在本次课程设计中，我的主题是关于微悬臂梁气体传感器的工作原理及敏感机理、介绍微悬臂梁表面修饰的关键技术、MEMS制备工艺主要方法、后端检测电路的设计和基于微悬臂梁气体传感器领域的研究状况以及对基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的发展方向和应用前景的展望。这不仅使我们加强了本学期传感技术这门课程的学习，而且更加深入地让我们了解了具体的这种微悬臂梁传感器的各种工作机理，对传感器有了深层次的认识，为我们的学习增添了几分色彩。同时也锻炼了我们自己查阅资料文献获取知识的能力，将为我们以后自主学习奠定坚实的基础。在此感谢学校给我们提供了有力的学习平台