微机械生化传感器

自从Clark和Lyons在1962年研制出第一个生物传感器以来，探测各种生物和化学分子的生化传感器相继问世。这类传感器的基本原理是通过生化敏感层，被分析分子在敏感层上的物理或化学吸附被换能器转化为电信号。在众多的设计中，将活泼的生化敏感材料涂镀在硅器件表面是一个最有新意的设想。以往的硅生化传感器多设计为膜片式，器件的灵敏度受到限制。硅微机械悬臂梁是一种灵敏度极高的器件，近年来在传感器领域受到关注。文章总结了目前世界上硅基微悬梁生化传感器的最新发展动态。对几种硅悬臂梁的设计方法和工作原理进行了讨论，并给出了几种新型微生化气体和液体传感器检测不同有机分子和生物分子的结果。     

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

硅微机械悬臂梁红外辐射热探测技术的研究

研究了利用镀膜硅微机械悬臂梁红外辐射热挠曲实现红外辐射探测的技术,建立了镀膜双层硅微悬臂梁红外辐射热挠曲的理论模型.并利用镀有二氧化硅膜层的硅微悬臂梁,在硅微悬臂梁根部制作热挠曲检测压敏电阻,用实验方法测试了硅微悬臂梁对红外辐射的响应规律,结果表明该镀膜硅微悬臂梁对顶端辐射激励的1.5 μm红外光的响应灵敏度可达 2.39 μV/mW.用计算机优化方法得到了硅微机械悬臂梁的最佳镀膜厚度比的规律,为进一步提高硅微悬臂梁红外探测的灵敏度提供了设计依据.     

碳纳米管微悬臂梁红外探测器的优化设计

对复合层微悬臂梁红外探测器进行了理论分析，并建立了相应的理论模型，实验研究了在硅基底上生长碳纳米管的吸热特性，优化设计了一种生长有碳纳米管的三层硅微悬臂梁谐振式红外探测器。该探测器基于复合层微悬臂梁的谐振频率随着微悬臂梁温度的改变发生漂移的特性，在一定的红外辐射下，微悬臂梁的温度会随着辐射光强的强弱而发生变化，从而根据微悬臂梁谐振频率的漂移而感知温度变化实现对辐射光的探测，利用碳纳米管的红外吸收特性，在二层微悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸收层，提高了微悬臂梁探测器的红外吸收性能。研究表明：其功率灵敏度可达fw级，比传统的静态测试方法提高了两个数量级。而且这种基于微机电系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的。     

声表面波生物传感器质量灵敏度的理论与实验验证

针对声表面波传感器在生物检测中的性能评价与优化,提出一种快捷验证适用于生物传感器的声表面波器件质量负载灵敏度的实时检测方法.首先基于二维近似假设和周期性边界条件,建立了以石英为压电基底材料、SiO2为波导层的Love波传感器的三维有限元分析模型,从理论上验证了波导层对Love波传感器灵敏度的影响.在实验上,通过MEMS...     

Si基双环级联光学谐振腔应变检测研究

绝缘衬底上的硅材料制备的光学微环谐振腔结构具有高灵敏度、结构尺寸小和极低模式体积等特性,被广泛应用到光信息传递、惯性导航领域,但极少被应用到力学信号的测试,为此,研究了一种基于硅基光学微环谐振腔结构的悬臂梁式应力/应变敏感计,利用微环谐振腔环形波导径向形变量作为感应应力的中间物理量,在外界应力作用下,环形波导的半径将发生改变,使结构的光学谐振参数产生变化,从而使光学微环谐振腔谐振谱线发生明显红移,体现出良好的应力/应变敏感特性;通过设计双环级联光学微腔,并采用MEMS光刻、ICP腐蚀工艺制备了嵌入式光学微腔应变计结构,结合理论计算了悬臂梁结构的应力应变敏感特性,经仿真及实验得到,应变计结构的应力/应变灵敏度分别为0.185 pm·kPa-1,18.04 pm·microstrain-1,与单环微腔结构相比,线性量程增加了近50.3%,应力灵敏度提高了近10.6%,初步验证了嵌入式光学微腔结构进行高灵敏度应力/应变检测的可行性,有望实现新型光学力敏传感器件的微型化、集成化。     

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究

为满足加速度传感器微型化、低成本的需求,提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构,采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数,利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测,从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限,深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响,数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。结果表明：加速度传感器在外界加速度作用时,悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲,使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变,即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化,从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化,因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值;悬臂梁的长度、厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素,并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。经过数值仿真,对于信噪比为30 dB系统,波长在1.515 μm处,悬臂梁的长度、厚度分别为180和3 μm时,系统的灵敏度可达到2.112 g-1,探测极限为1.421×10-3 g,因此在悬臂梁可承受的范围内,选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。该结构为制备高灵敏度、低成本、易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。     

U形阵列式微机械悬臂梁的研究

为提高悬臂梁的分辨率，实现悬臂梁的多功能性，设计了一种U形阵列式压阻悬臂梁.从理论上对悬臂梁的应力、噪声和灵敏度进行分析，优化了悬臂梁及力敏电阻的几何尺寸.选用多晶硅为力敏材料，基于硅微机械加工技术，制备U形阵列式悬臂梁.测量悬臂梁的噪声及灵敏度，得到多晶硅力敏材料的Hooge因子和应变灵敏度系数，分别为3×10^-3和27.在6V偏压和1000Hz测量带宽条件下，计算悬臂梁的最小可探测位移为0.5nm.同时对多晶硅力敏电阻噪声的产生机理进行了探讨. 关键词： 悬臂梁 噪声 灵敏度 最小可探测位移     

MEMS生物传感器及其医学应用

生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件,被列为新世纪五大医学检验技术之一,是现代生物技术与微电子学、化学等多学科交叉结合的产物。而微电子机械系统(MEMS)技术可在微米到纳米的尺度上制造固态传感器,并易与信息处理电路集成在一块芯片上,为生物微传感器实现小型化、便携式、低成本,高灵敏度的片上系统提供了有力技术支持。特点及分类MEMS生物传感器由分子识别元件和信号转换器组成,分子识别元件即感受器,由生物活性物质构成,直接接触待检测物质,具有分子识别能力,有的还能放大反应信号。现在识别元件已不仅仅限于生物活性…