淺析微懸臂梁的應(yīng)用

唐榮喜

摘 要：微懸臂梁結(jié)構(gòu)因具有低成本、小體積、高性能等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于傳感器的制作中，同時(shí)也成為當(dāng)下傳感器研究的熱點(diǎn)。主要介紹微懸臂梁的結(jié)構(gòu)、工作原理和它在傳感器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微懸臂梁；傳感器；諧振頻率；換能技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）07-0035-02

微懸臂梁是一種采用體硅加工技術(shù)和表面加工技術(shù)制備而成的微結(jié)構(gòu)。微懸臂梁是指長(zhǎng)度在100～1000 ?m，寬度在50～300 ?m，厚度在1～10 ?m，一端固定，另一端懸空的梁體。梁體的材料可以為單晶硅、多晶硅、SiO2，Al，Au，Pt等。懸臂梁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在傳感器中，有著成本低、體積小、性能高的優(yōu)勢(shì)，是精密傳感器發(fā)展的主流。

1 微懸臂梁的結(jié)構(gòu)

微懸臂梁是指一端固支的梁體，因此具有多種結(jié)構(gòu)。例如：①三角形結(jié)構(gòu)。三角形結(jié)構(gòu)一般情況下用于原子力顯微鏡，（縮寫(xiě)為AFM），在它的頂端有一個(gè)三角錐。②V形三角形結(jié)構(gòu)。用于原子力顯微鏡AFM探測(cè)頭的微懸臂梁則是采用V形的三角形結(jié)構(gòu)，AFM通過(guò)反饋調(diào)節(jié)微懸臂梁和樣品表面的距離來(lái)維持懸臂梁頂端上的三角錐針尖和樣品表面原子間存在的微弱排斥力（10-8～10-6N）恒定，得到梁移動(dòng)的軌跡后轉(zhuǎn)換成該樣品的形貌圖。為了得到高精度的形貌圖，在測(cè)量中希望微懸臂梁只有縱向的位移，沒(méi)有橫向的位移，因此將微懸臂梁做成V形三角結(jié)構(gòu)可以減小橫向的位移，將V形梁體的中間挖空并使用特殊工藝降低V形梁根部的楊氏模量以增加縱向的靈敏度。③U形結(jié)構(gòu)的微懸臂梁。一般用于制作加速度計(jì)。④音叉形狀的微懸臂梁。主要用于的領(lǐng)域在于對(duì)角速度的檢測(cè)。⑤橋式結(jié)構(gòu)。一般用于對(duì)壓力的測(cè)量。

2 微懸臂梁的工作原理

在與其諧振頻率相同的外激勵(lì)作用下發(fā)生諧振的現(xiàn)象（壓電微懸臂的機(jī)械諧振頻率是由其形狀、尺寸、材料等決定的），當(dāng)測(cè)量作用于該微懸臂梁時(shí)，該微懸臂梁的振動(dòng)狀態(tài)、振幅和諧振頻率，都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變， 改變的量與被測(cè)量的量之前存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，通過(guò)其振動(dòng)變化的情況就能得到被測(cè)量的量。

微懸臂梁的動(dòng)態(tài)范圍較大，諧振頻率數(shù)十赫茲到數(shù)兆赫茲，同時(shí)具有高分辨率，例如原子力顯微鏡最小可以檢測(cè)到10～12 N的微力。

隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)傳感器靈敏度、精度的要求越來(lái)越高，微懸臂梁這種高靈敏度的換能技術(shù)顯示出了很大的優(yōu)越性。因此，微懸臂梁作為一種高靈敏度的生物傳感器換能元件，有很大的發(fā)展前景。

自諧振式微梁技術(shù)發(fā)展以來(lái)，主要用作微機(jī)械電子濾波器、諧振式傳感器、振蕩器、其他需要諧振驅(qū)動(dòng)和電學(xué)檢測(cè)的器件。微懸臂梁結(jié)構(gòu)可用于高靈敏度的生物傳感器，例如原子力顯微鏡、表面探測(cè)器、生化傳感器、氣敏傳感器、微流計(jì)和溫度感測(cè)器等，還廣泛應(yīng)用于科研、臨床、探測(cè)污染環(huán)境、生化探測(cè)和其他一些精密感測(cè)領(lǐng)域。它們可以在空氣、真空或液體環(huán)境下工作，有很高的利用價(jià)值和發(fā)展前景。

以微懸臂梁為主的傳感結(jié)構(gòu)的研究，主要是沿著兩個(gè)方向展開(kāi)的：①把微懸臂梁制造的工藝技術(shù)和成熟的CMOS制造工藝技術(shù)相融合，用以實(shí)現(xiàn)芯片集成系統(tǒng)，縮寫(xiě)為SOC；②微懸臂梁中，應(yīng)用高性能的敏感材料，用以優(yōu)化其工作模式，進(jìn)一步提高其靈敏度。壓電材料諧振式的微懸臂梁傳感器靈敏度相對(duì)更高。

3 微懸臂梁在測(cè)量工具中的應(yīng)用

微懸臂梁早已被應(yīng)用于傳感器的制造中，并發(fā)展成了多種用途的測(cè)量工具。例如：①把一層金屬輕輕濺射于微懸臂梁的一側(cè)，采用雙金屬效應(yīng)的方法來(lái)測(cè)量環(huán)境的溫度，可以得到-263.15 ℃的溫度變化，或者具體到納克級(jí)微分析物的吸放熱，可以據(jù)此制成微卡路里計(jì)。②在雙層微梁的一側(cè)，涂上如烷基硫醇類的高分子物質(zhì)，能做成應(yīng)力感測(cè)器，用于化學(xué)物質(zhì)微應(yīng)力的測(cè)量，測(cè)量得到的微懸臂梁的彎曲度會(huì)隨著烷基硫醇鏈長(zhǎng)度的增加而增大。③通過(guò)測(cè)得微懸臂梁的變化可以測(cè)出梁頂端的質(zhì)量變化，精度可達(dá)皮克量級(jí)，而對(duì)氣體的濃度測(cè)量，可達(dá)微克量級(jí)。據(jù)此原理，對(duì)微懸臂梁的陣列來(lái)進(jìn)行化學(xué)修飾，可做成各種功能的傳感器，如環(huán)境傳感器等。④利用檢測(cè)頂端修飾的特殊物質(zhì)，通過(guò)微懸臂梁質(zhì)量的變化，可以檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的溫度變化，形成熱重量計(jì)。⑤利用微懸臂梁形變的特點(diǎn)，可用來(lái)測(cè)量電荷和磁場(chǎng)等。例如，把微懸臂梁放入裝有電解質(zhì)溶液的環(huán)境中，微懸臂梁則會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲，通過(guò)測(cè)量彎曲度，則可得到該電解質(zhì)溶液循環(huán)的伏安圖；集成壓電薄膜這種形式的微懸臂梁，是將其待檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這種電信號(hào)就源于壓電薄膜產(chǎn)生的彎曲形變，此項(xiàng)技術(shù)使用基礎(chǔ)來(lái)源于電學(xué)檢測(cè)，微懸臂梁其振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓電薄膜產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，而壓電薄膜由于它的振動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生微量的壓電電流，而壓電電流的大小則正是能夠體現(xiàn)微懸臂梁振動(dòng)的幅度，這樣，利用電學(xué)手段檢測(cè)微懸臂梁共振頻率的生物傳感系統(tǒng)。

4 微懸臂梁在生物傳感器中的應(yīng)用

在國(guó)外，用微懸臂梁作為生物傳感器的研究已經(jīng)有較多的成果；在國(guó)內(nèi)，對(duì)微懸臂梁在傳感器的應(yīng)用也已經(jīng)進(jìn)行了深入的探索。微懸臂梁的形變，對(duì)于臨床疾病的診斷也有較大的作用，可對(duì)常用的幾種蛋白質(zhì)來(lái)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。例如：①免疫球蛋白，縮寫(xiě)為IgG，可用于檢測(cè)是否懷孕。②牛血清白蛋白，縮寫(xiě)為BSA，是免疫測(cè)定中經(jīng)常被用到的阻擋劑。③肌血球素。利用AFM可以制成新型生物免疫的傳感器，其V型微懸臂梁的上面，淀積30 nm的金層，在它的上面生長(zhǎng)出來(lái)一層硫醇類的抗體之后，可以用來(lái)對(duì)肌血球素的探測(cè)。這些生物傳感器的理論基礎(chǔ)都是特定酶免疫吸收化驗(yàn)，縮寫(xiě)為ELISA。也就是說(shuō)，不同的酶可以吸收不同生物物質(zhì)，而微懸臂梁則是對(duì)吸收的微量變化進(jìn)行檢測(cè)的載體。例如，采用PZT驅(qū)動(dòng)制作成的諧振式傳感器，把微懸臂梁上面抹上一層分子級(jí)的篩敏感材料后，就可以對(duì)MIN10微克數(shù)量級(jí)的氟里昂等氣體進(jìn)行探測(cè)。目前，利用微懸臂梁制作成的傳感器，廣泛應(yīng)用于對(duì)丙酮和有機(jī)毒氣的檢測(cè)，并逐漸拓展到越來(lái)越受重視的生物領(lǐng)域。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，微懸臂梁傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是諧振式微梁，因結(jié)合了壓電薄膜而具有更高的靈敏度，已經(jīng)成為了目前傳感器研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]匡登峰，劉慶剛，郭維廉，等.大氣濕度對(duì)AFM針尖氧化加工金屬Ti膜的影響[J].壓電與聲光，2004（03）.

〔編輯：王霞〕