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臂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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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…     

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工艺制备以ST-90°X石英为基底的声表面波传感器,通过磁控溅射镀膜技术在其表面生长不同厚度的SiO₂波导层。利用热蒸镀技术在器件延迟线区域生长铝薄膜作为质量负载效应,利用Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH)溶液对铝的缓慢腐蚀效果,模拟质量负载从有到无的逆过程,从而实现对声表面波传感器的灵敏度验证与评价,并从实验上探究不同厚度波导层对Love波传感器灵敏度的影响及其最佳波导层厚度。     

纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器（英）

基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作,利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下,工作电压为5.0 V时,实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa,加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g,可实现外加压力和加速度的测量,具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。     

纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器（英）

基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作,利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下,工作电压为5.0 V时,实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa,加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g,可实现外加压力和加速度的测量,具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。     

An integrated Mach–Zehnder interferometric biosensor with a silicon oxynitride waveguide by plasma-enhanced chemical vapor deposition

We report the design and fabrication of an integrated Mach–Zehnder interferometric (MZI) biochip based on silicon oxynitride layers deposited with a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. A rib waveguide for an integrated MZI sensor has been designed to have a high surface sensitivity and a single-mode behavior by using an effective index method. The integrated MZI chip operating at 637 nm is fabricated via conventional photolithography and reactive ion etching. As a biosensor application, the real-time and label-free detection of the covalent immobilization and hybridization of DNA strands is performed and verified with this device.     

硅微机械FP腔器件机电特性模拟

介绍了一种硅微机械FP腔器件,该器件作为光学滤波器、光学衰减器等在光纤通信技术中具有广泛应用.采用化学气相沉积、刻蚀、金属蒸发等工艺对该器件进行加工,并利用湿法腐蚀释放使其形成悬空结构,悬空膜采用静电激励驱动.分析了器件的基本原理、工作范围、静电激励的阈值电压等特性,并指出了影响阈值电压大小的因素.     

Fluorescent Si nanoparticle-based electrode for sensing biomedical substances

We have been studying the miniaturization of silicon crystals and the transition from the solid state to the atomistic state. We demonstrated the existence of “sweet spots” in cluster size in the range 1-3 nm that have enhanced chemical, structural, and photo stability. The particles are produced by an electrochemical etching process as dispersion in liquid, and they are reconstituted in films, patterns, alloys, or spread on chips to produce super chips. Unlike bulk, these Si nanoparticle configurations have a spectacular ability to glow in distinct RGB colors. In this paper we describe an electrode sensor built by decorating metal or heavily doped silicon electrode with nanoparticles. We demonstrated amperometric response of the electrode to glucose and compared the response to that of heavily doped silicon wafer decorated with GOx. The all silicon electrode shows improved sensitivity, selectivity and stability. Light induced modulation of the response allows phase sensitive detection. The device is suitable for miniaturization, which may enable in vivo use.     

基于α-MoO3的可调谐法布里-珀罗谐振腔比色生物传感器

生物传感器是近年来的热点研究方向,其中基于折射率变化的光学传感器在灵敏度方面具有很大优势.本文基于α-MoO3设计了一种集成微流腔的法布里-珀罗谐振腔比色生物传感器.理论分析了BK7/Ag/SiO2作为谐振腔反射面的可行性,并进一步用传输矩阵法分析了所设计的比色生物传感器的透射光谱.当微流腔通过不同浓度的NaCl溶液时...     

Thin film silicon nanowire photovoltaic devices produced with gold and tin catalysts

Silicon nanowires produced using pulsed plasma-enhanced chemical vapor deposition have been used as part of a thin film photovoltaic device. Nanowires of differing morphologies were produced by using both gold and tin thin films as a catalyst for growth. A prototype silicon nanowire-based thin-film photovoltaic device was produced by using doped silicon nanowires as the p-layer. Amorphous silicon was used as the intrinsic and n-layers of the device. The nanowires used in the photovoltaic devices had an average diameter of 420 nm after the deposition and coating of amorphous silicon intrinsic and n-layers. The nanowires were deposited in bulk as films of 3 to 42 μm in thickness. The resulting device, although of low efficiency, had a demonstrable photocurrent. Tin-catalyzed nanowires were found to produce a thin-film device with a measurable photocurrent whereas gold-catalyzed silicon nanowires did not. This was attributed to the length of the nanowires and thickness of the p-layer produced when using gold-catalyzed nanowires.     

硅基底液晶光阀的理论和工艺研究

本文介绍了一种新型空间光调制器——硅基底液晶光阀。阐述了该器件的工作原理和各膜层的制备过程。最后提出了两种薄双面抛光片的方法,它们是实现该器件实用化的关键工艺。     

Quantum chemical studies of semiconductor surface chemistry using cluster models

Modern quantum chemical methods can be used to investigate many properties of novel molecules and materials with predictive power. We have carried out accurate quantum chemical calculations with cluster models to investigate chemical reactions on semiconductor surfaces. The structure–property relationships that emerge from these studies are illustrated with particular emphasis on silicon as well as indium phosphide surface chemistry. Some new strategies that we have developed to provide a proper balance between covalent and dative bonding in compound semiconductors are discussed. Embedded cluster models have been used in some cases to include the effects of the surroundings on the active region. The structural and mechanistic understanding that emerges from our studies is illustrated by selected results on atomic layer deposition of Al₂O₃ on silicon and hydrogenation of P-rich and In-rich indium phosphide surfaces.     

Silicon photonic MZI sensor array employing on-chip wavelength multiplexing

In this work, we present a novel wavelength multiplexing concept for an integrated label-free biosensor array employing silicon photonic Mach-Zehnder interferometers as sensors. Microring resonators act as wavelength selective elements in order to address the individual interferometers. Wire Bragg gratings terminate the interferometer arms and reflect the light back, which eliminates the risk of a wavelength mismatch between drop and add port. The characteristics of the device are discussed and the design based on FEM and 3D-FDTD simulations as well as measurements of the nanophotonic key components—micro ring resonators, Mach-Zehnder interferometers and photonic wire Bragg gratings—are presented. Measurements of combinations of the wire Bragg gratings with ring resonators and Mach-Zehnder interferometer sensors demonstrate the applicability of the reflectors in photonic circuits.     

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.     

组织蛋白酶B响应的超极化129Xe MRI探针对肺癌细胞的超灵敏探测

组织蛋白酶B（Cat B）是一种溶酶体半胱氨酸蛋白酶,在细胞代谢中起重要作用.已有研究表明Cat B在肺癌细胞中会过表达.因此,细胞内Cat B水平的检测非常重要.迄今为止,细胞内Cat B的检测方法主要为荧光成像,但该技术受限于渗透性和自发荧光背景干扰.为了解决这些问题,我们设计了一种基于超极化¹²⁹Xe磁共振成像的新型探针.它由一个作为¹²⁹Xe核磁共振（NMR）报告基团的穴番分子笼和一个作为Cat B特异性可裂解基团的酰胺键组成.当探针与Cat B相互作用时,酰胺键的断裂会导致其¹²⁹Xe化学位移发生变化.结合超极化-化学交换饱和转移（Hyper-CEST）技术,可为Cat B提供一种新颖的检测方法.