微懸臂梁傳感器在氣體檢測方面的應(yīng)用

趙丹 沈陽計量測試院

傳感器是一種可以獲取有用信息并將其轉(zhuǎn)換成可用信號（光信號、電信號）的特殊裝置，它在信息處理系統(tǒng)中占有十分重要的地位，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研和生活的各個領(lǐng)域。氣體檢測在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用十分廣泛，特別是在安全生產(chǎn)方面，如，礦井作業(yè)、毒氣的生產(chǎn)運輸。氣體傳感器直接關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全。微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)是基于微電子技術(shù)的微器件加工制造方法，其中懸臂梁結(jié)構(gòu)是最簡單的微結(jié)構(gòu)，利用它可以探測到極小的位移或質(zhì)量的變化，這使得微懸臂梁成為高精度高靈敏氣體傳感器的理想選擇?？諝赓|(zhì)量問題是社會問題中急需解決的一大難題，解決這一難題的一個關(guān)鍵點是對空氣中氣體分子的準(zhǔn)確分析。本文綜述了微懸臂梁傳感器在氣體檢測方面的應(yīng)用，包括一般性氣體，爆炸性氣體和有毒有害氣體，并分析了使用局限性，為今后的氣體傳感器的深入研究提供了新方法。

一、工作原理

微懸臂梁傳感器以其體積小、成本低、靈敏度高等優(yōu)點獲得了越來越多的研究與應(yīng)用，為生化物質(zhì)的檢測提供了一種新方法，具有誘人的應(yīng)用前景和很大的市場潛力。但是微懸臂梁傳感器還存在許多問題，如檢測的可靠性與靈敏度有待提高，如何實現(xiàn)定量分析等。微懸臂梁傳感器的一個重要發(fā)展方向是將其與分析化學(xué)、計算機、電子學(xué)、材料科學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等交叉，可以組建芯片實驗室，實現(xiàn)化學(xué)分析檢測，有可能導(dǎo)致化學(xué)分析領(lǐng)域的一場革命?；谖冶哿簹怏w傳感器已經(jīng)顯示出了優(yōu)越的性能，它們的主要優(yōu)點在于高精度、低功耗、與IC工藝兼容易于實現(xiàn)、成本低、體積小易于操作、能實現(xiàn)陣列化等。到目前為止，微懸臂梁諧振式氣體傳感器的精度已經(jīng)可以和其他傳統(tǒng)的氣體檢測方式相媲美，陣列化是基于微懸臂梁的諧振式氣體傳感器的無可比擬的優(yōu)勢，它可以提高檢測精度，還可以用來實現(xiàn)多種氣體的同時測量。因此，基于單芯片集成的電學(xué)檢測方法、高選擇性和可重復(fù)性的敏感層、增大陣列（＞100甚至成千上萬）是當(dāng)前微懸臂梁諧振式氣體傳感器發(fā)展的主要方向?，F(xiàn)階段制約微懸臂梁諧振式氣體傳感器發(fā)展的主要問題在于懸臂梁的表面修飾即敏感層材料的選取和敏感層制作。目前，由于可用的優(yōu)良的化學(xué)試劑有限，懸臂梁傳感器的發(fā)展需要更成熟的表面修飾技術(shù)和理論支持；另一方面，到目前為止基于懸臂梁的傳感器還沒有得到廣泛應(yīng)用的成熟的產(chǎn)品問世。但大批的科研工作者們正積極從事于懸臂梁的表面修飾和氣體敏感膜的研究，這無疑展示了基于微懸臂梁的諧振式傳感器的市場價值。可以確信，基于微懸臂梁的諧振式氣體傳感器必將會得到廣泛的應(yīng)用。微懸臂梁傳感器[1]是一種可以獲取有用信息并將其轉(zhuǎn)換成可用信號的高精度微型傳感裝置。通過將梁表面接收到的信息轉(zhuǎn)化成梁的應(yīng)力形變，或者促使懸臂梁共振頻率偏移，將這一變化通過光學(xué)或電學(xué)的讀出方法轉(zhuǎn)為可視信號，利用計算機進(jìn)行分析處理。

二、工作模式

微懸臂梁[2]應(yīng)用于氣體檢測主要有兩種工作模式：靜態(tài)模式和動態(tài)模式。

（一）靜態(tài)工作模式

靜態(tài)模式是通過改變梁表面應(yīng)力實現(xiàn)，具體方法為：將一種可以與待測物質(zhì)分子發(fā)生特異性結(jié)合的分子預(yù)先修飾在懸臂梁表面的一側(cè)，當(dāng)梁處于包含待測物質(zhì)分子的環(huán)境中時，兩種分子發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，導(dǎo)致了梁表面應(yīng)力發(fā)生改變，使懸臂梁產(chǎn)生彎曲變化。

（二）動態(tài)工作模式

動態(tài)模式是通過測量梁表面質(zhì)量微小變化實現(xiàn)。質(zhì)量變化影響梁的共振頻率，梁表面的質(zhì)量增加，促使其共振頻率減小，通過測量頻率的變化值即可獲知吸附物的質(zhì)量大小。

三、傳感器在氣體檢測方面的應(yīng)用

（一）一般性氣體檢測

微懸臂梁傳感器對氣體進(jìn)行定量檢測是一個熱點研究方向。2011年，Jin等人在懸臂梁自由端涂上活性炭后，研究了懸臂共振頻率和二氧化碳壓力的關(guān)系。2014年，Kim等人研制了一種高靈敏度懸臂型化學(xué)機械氫傳感器，可檢測濃度高達(dá)4%氮氣中稀釋的氫。2018年，Lv等人用重力型傳感材料，采用共振微懸臂梁傳感器實現(xiàn)了對10ppbco的靈敏檢測。

（二）爆炸性氣體檢測

爆炸性氣體會對人類的生命財產(chǎn)安全帶來巨大隱患，如何有效地對其定量檢測是迫切需要解決的題。2004年，Pinnaduwage等人對DNT、TNT等爆炸性氣體進(jìn)行了檢測。2010年，Xu等人用于研制了用于檢測三硝基甲苯（TNT）蒸氣的多壁碳納米管改性共振微懸臂梁化學(xué)傳感器。實驗顯示快速檢測ppb水平的TNT蒸氣的能力，以及功能化基團對TNT分子的高度特異性。2011年，Zhu等人將一種比色受體四硫富勒烯官能化吡咯與一種聚酰亞胺微反杠桿結(jié)合在一起，可檢測10ppb三硝基苯蒸氣。

（三）有毒氣體檢測

有毒氣體在空氣中凝結(jié)會對人的皮膚產(chǎn)生刺激作用，導(dǎo)致過敏等癥狀，嚴(yán)重會導(dǎo)致病變。2006年，Porter[7]等人用嵌入式壓阻式微懸臂梁傳感器來檢測氰化氫氣體。2015年，Ju[8]等人利用組合肽庫和一個石墨表面或苯基端接自組裝單層作為相關(guān)的靶表面，實現(xiàn)了定量檢測苯、甲苯和二甲苯亞ppm水平檢測。2016年，Wang等人研究了一種基于納米敏感材料和MEMS技術(shù)的新型煤油氣體傳感器，具有較高的靈敏度和線性度。

四、展望

未來可將微懸臂梁傳感技術(shù)與納米技術(shù)和軟物質(zhì)技術(shù)相結(jié)合，致力于發(fā)展多選擇性、高穩(wěn)定性和耐用性的柔性傳感器。

五、結(jié)論

隨著微加工技術(shù)的提高與薄膜技術(shù)的發(fā)展，近幾年微機電系統(tǒng)傳感器在氣體檢測方面受到廣泛關(guān)注。由于分子的吸附而導(dǎo)致的微懸臂梁彎曲偏轉(zhuǎn)量的變化主要是由于分子吸附在微懸臂梁表面后，在上下表面產(chǎn)生了不同的應(yīng)力。分子吸附在懸臂梁表面之前，懸臂梁上表面和下表面的應(yīng)力處于平衡，產(chǎn)生一個沿著微懸臂梁中間平面的徑向力，當(dāng)分子吸附到微懸臂梁上下表面后，它們對上下表面應(yīng)力的影響不一樣，基于懸臂梁彎曲的測量方法在生物和化學(xué)探測中更具有吸引力。