《電子技術(shù)應(yīng)用》
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諧振微懸臂梁傳感器的工作原理及其在生化檢測中的研究進展
電子技術(shù)應(yīng)用 2023年3期
田寬1，閆堉琦1，孫雨安1，廉中義1，陳瀅2，許鵬程2
1.鄭州輕工業(yè)大學 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002； 2.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，上海 200050）
摘要： 諧振微懸臂梁是一種可以將質(zhì)量變化轉(zhuǎn)換為頻率信號的微質(zhì)量型傳感器，因其分辨率高、靈敏度高、成本低、易于集成和小型化等優(yōu)點而備受關(guān)注。諧振微懸臂梁現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于流量控制、生物醫(yī)學痕量檢測、氣態(tài)和液態(tài)分子分析等領(lǐng)域。近年來，隨著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展，針對諧振式微懸臂梁傳感器的研究與應(yīng)用越來越多，對近年來諧振式微懸臂梁傳感器在環(huán)境檢測、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的具體應(yīng)用進行了綜述，并對未來的發(fā)展方向做出了展望。
中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223326
中文引用格式： 田寬，閆堉琦，孫雨安，等. 諧振微懸臂梁傳感器的工作原理及其在生化檢測中的研究進展[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(3)：11-20.
英文引用格式： Tian Kuan，Yan Yuqi，Sun Yu'an，et al. Principle of resonant micro-cantilever sensor and its research progress in biochemical detection[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：11-20.
Principle of resonant micro-cantilever sensor and its research progress in biochemical detection
Tian Kuan1，Yan Yuqi1，Sun Yu'an1，Lian Zhongyi1，Chen Ying2，Xu Pengcheng2
(1.School of Materials and Chemical Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002， China； 2.State Key Lab of Transducer Technology， Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200050， China)
Abstract： Resonant microcantilever is a mass-type sensor that transforms mass change into frequency-shift signals. Due to the advantages of high mass resolution, high sensitivity, low cost, easy integration and miniaturization, resonant microcantilevers have received extensive attention from researchers. In recent years, with the rapid development of MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology, resonant micro-cantilever sensors have been widely used in mass and flow control, trace biomedical detection, gas or liquid molecular analysis and other broad application fields. Herein, the specific applications of resonant microcantilever sensors in environmental detection, biomedicine and other fields in recent years are reviewed, and the future development trends are prospected.
Key words : resonant sensor；micro-cantilever；MEMS；resonant frequency；environmental monitoring；biomedical science

0　引言

傳感器研究對于人類認識、理解自然、發(fā)展科學、促使人類社會進步等方面有著重要意義。其中檢測質(zhì)量微小變化的傳感器在很多領(lǐng)域都有著十分重要的作用，例如氣敏傳感器中對痕量氣體分子的檢測、生物醫(yī)學中檢測單個細胞的質(zhì)量變化情況推斷該部位健康情況等。而檢測質(zhì)量變化的手段，即換能器主要有諧振式微懸臂梁、FBAR濾波器（Film Bulk Acoustic Resonator）、石英晶體天平QCM（Quartz Crystal Microbalance），其對比如表1所示。

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MEMS傳感器是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學科交叉的前沿研究領(lǐng)域,經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)的構(gòu)想早在1959年由物理學博士Feynman在全美物理學年會上首次提出。其中最為經(jīng)典的一個結(jié)構(gòu)便是微懸臂梁，其長度多在100~1000 μm，由固定端和自由端組成。諧振式微懸臂梁是指基于MEMS技術(shù)設(shè)計和加工出的微型懸臂梁結(jié)構(gòu)的諧振元件。伴隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，諧振式微懸臂梁傳感器也取得了快速的發(fā)展。目前為止，憑借著MEMS技術(shù)特有的“輕、小、省、靈”的特點，諧振式微懸臂梁傳感器作為一種可感知痕量質(zhì)量變化的傳感器也在各個領(lǐng)域大放異彩，不管是生物醫(yī)學上對蛋白質(zhì)、DNA和RNA的測試，亦或是針對于環(huán)境中氣體成分的檢測，諧振式微懸臂梁傳感器都發(fā)揮著重要的作用。通常使用該元件時會利用壓電激勵、電熱激勵、磁激勵等激勵方式使其發(fā)生諧振，諧振式微懸臂梁在檢測到其自由端質(zhì)量變化后，會極為敏感地產(chǎn)生諧振頻率的變化。諧振式微懸臂梁具有制造成本低廉、工藝簡單、靈敏度高、易于和數(shù)字儀表裝置集成等優(yōu)點。因此，近年來諧振式懸臂梁傳感器發(fā)展十分迅速，從圖1中可以看出，自2003年起，相關(guān)研究工作逐年增加。基于該手段的溫度、氣體、黏度等類型的傳感器得到廣泛研究。由于諧振式微懸臂梁傳感器具有的這種特性，也使其在傳感器、工程學監(jiān)控、環(huán)境分析、生物醫(yī)學領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用。

諧振式傳感器按照諧振元件可以劃分為振弦式傳感器、振筒式傳感器、振梁式傳感器和振膜式傳感器。其中振梁式諧振微傳感器發(fā)展較快，且受到廣泛的關(guān)注?；诖耍疚膶?~10年來振梁式諧振微懸臂梁傳感器的研究與應(yīng)用進展進行了總結(jié)。期望本文可以對該領(lǐng)域的發(fā)展與后續(xù)研究提供一定參考。




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作者信息：

田寬1，閆堉琦1，孫雨安1，廉中義1，陳瀅2，許鵬程2

（1.鄭州輕工業(yè)大學 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002；

2.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，上海 200050）



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