微膜尺寸與吸附物對微膜生化傳感器動態(tài)特性的影響

李 勇

(山東大學 機械工程學院，山東 濟南250061)

0 引 言

微生物傳感器是一種檢測微生化物質的裝置，具有高度的檢測敏感性、操作簡單、檢測速度快等優(yōu)點，廣泛應用于化學、生物、物理等領域［1］。微懸臂梁傳感器就是一個典型的應用，在空氣中，微懸臂梁傳感器檢測靈敏度高，且具有很高的品質因數(shù)和檢測時不需要標記［2］。但是在液態(tài)檢測環(huán)境中，液態(tài)介質的阻尼作用使微懸臂梁傳感器的品質因數(shù)顯著降低［3］。最近研究表明，微膜作為檢測平臺在液態(tài)介質中具有更高的質量敏感性和分辨率［4］。微膜生化傳感器的工作過程是將檢測微生化介質的過程轉變?yōu)榭蓹z測電信號的過程。微膜生化傳感器的動態(tài)性能會受到微膜尺寸、吸附物質量的影響，研究這些因素對微膜生化傳感器動態(tài)性能的影響規(guī)律是發(fā)展微膜生化傳感器的基礎。

本文利用流固耦合分析軟件ADINA 對微膜生化傳感器在液態(tài)介質中的動態(tài)特性進行了模擬研究，分析了微膜尺寸和吸附物的影響。

1 微膜生化傳感器

1.1 微膜生化傳感器結構

圖1 為一種微膜生化傳感器示意圖，傳感器由微膜、檢測電路和腔體等結構組成［5］。含有待檢測微生化介質的微流體從進口進入傳感器，當特定的微生化介質吸附在微膜表面的敏感層時，微膜的固有頻率會發(fā)生變化，通過檢測頻移來達到檢測介質的目的。

1.2 有限元建模與網格劃分

根據(jù)傳感器的結構尺寸在ADINA 中建模，腔體簡化為圓柱形結構，腔體內液體的流速十分緩慢，簡化為靜止的液體域，液體域邊界為固壁面邊界條件，微膜形狀為圓形，采用固支邊界條件，有限元模型如圖2 所示。微膜選用的單元類型為四節(jié)點Shell 單元，并規(guī)定楊氏模量為6.1×1010Pa，密度為7.5×103kg/m3，泊松比為0.3。液體域半徑為140 μm，深度為80 μm，液體密度為1000 kg/m3，采用勢流體單元。最后對模型進行網格劃分，分析類型為模態(tài)分析，采用Lanczos求解方法，ADINA 軟件能夠自動識別流固耦合面［6］。

圖1 微膜生化傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of micro diaphragm biochemical sensor

圖2 傳感器有限元模型Fig 2 Finite element model of sensor

2 微膜尺寸的影響

圖3 所示的是當微膜厚度為4 μm，微膜半徑分別為55，60，65，70，75 μm 時，傳感器第一階固有頻率隨微膜半徑變化曲線圖。圖4 所示的是當微膜半徑為70 μm，微膜厚度分別為2，3，4，5，6 μm 時，傳感器第一階固有頻率隨微膜厚度變化曲線圖。

從圖3 可以看出:傳感器固有頻率隨著微膜半徑的增大而減小，隨著半徑的繼續(xù)增大，頻率的變化率減小，曲線變緩;從圖4 可以看出:傳感器固有頻率隨著厚度的增加而增大。

圖3 微膜固有頻率和微膜半徑的關系Fig 3 Relationship between natural frequencies and radius of micro diaphragm

圖4 微膜固有頻率和微膜厚度的關系Fig 4 Relationship between natural frequencies and thickness of micro diaphragm

3 吸附物質量與位置的影響

利用ADINA 軟件集中質量單元屬性模擬吸附物質量，分別計算當吸附物質量m 為1×10－6，2×10－6，3×10－6g，吸附物離微膜中心距離r 為10，20，30，40，50 μm 時的傳感器第一階固有頻率，得到的固有頻率同吸附物質量和吸附位置的關系曲線如圖5 所示。

從圖5 可以看出:吸附物質量使固有頻率減小，固有頻率隨著吸附位置離微膜中心距離的增大而增大，吸附位置在微膜中心時，固有頻率最低。吸附位置在微膜邊緣區(qū)域比在微膜中心區(qū)域對微膜的固有頻率影響更大，表現(xiàn)在曲線斜率更大。在不同的吸附質量條件下，相同的位置變化量對頻率的改變基本相同，不同的曲線的斜率基本相同。

圖5 微膜固有頻率和吸附物質量與位置的關系Fig 5 Relationship between natural frequencies of micro diaphragm with respect to mass and position of adsorbate

4 結 論

本文分析了薄膜結構尺寸與吸附物對微膜生化傳感器動態(tài)特性的影響，從模擬結果可以看出:微膜的尺寸和吸附物質量及吸附位置對微膜生化傳感器的固有頻率影響顯著，固有頻率隨著半徑增大而減小，隨厚度的增加而增大;液態(tài)介質中的吸附物質量使傳感器固有頻率減小，不同的吸附位置也使固有頻率發(fā)生變化。

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