諧振式MEMS生物傳感器系統(tǒng)檢測電路設計

金 庚，王櫟皓，朱銀芳，劉曉晨，趙俊元，郭陽寬，楊晉玲*

(1.中國科學院半導體研究所，北京 100083；2.中國科學院大學，北京 100049；3.北京信息科技大學，北京 100192；4.傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，上海 200050)

0 引言

基于MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)的生物傳感器是國際傳感領域的熱點研究內(nèi)容之一，其應用前景廣闊。微懸臂梁生物傳感器可以用來測量病原微生物、免疫蛋白、核酸等多種生物分子，能夠滿足不同精度和測量范圍的探測需求，被廣泛應用于醫(yī)藥篩選、疾病診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等各個領域[1]。微懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS生物傳感器，主要有兩種基本工作模式：靜態(tài)模式和動態(tài)模式[2-3]，其中動態(tài)模式，即懸臂梁諧振狀態(tài)測量模式，使微懸臂梁處于諧振狀態(tài)，微懸臂梁的有效質(zhì)量會因生物分子與其作用而改變，從而產(chǎn)生諧振頻率偏移，被測生物分子質(zhì)量可通過測量微懸臂梁的頻率變化獲得。微懸臂梁工作在動態(tài)模式時，對力以及質(zhì)量的變化敏感度極高，具有極高的靈敏度和精度。這一特性可以應用在生物檢測中，實現(xiàn)生物分子的超高靈敏檢測。

目前，為了滿足醫(yī)療檢測、生物研究等領域的應用需求，諧振式微懸臂梁生物傳感器需要實現(xiàn)便攜式、多目標檢測。常用的懸臂梁頻率測量方法主要分為光學檢測與電學檢測，光學方法包括激光多普勒、激光位移傳感等，通常包含較大的光學部件，不適合便攜式應用。電學方法包括電容檢測、壓敏電阻等，電容式檢測因需要在微懸臂梁結(jié)構(gòu)上制備導電涂層，會降低懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)(Q)，降低檢測靈敏度。而通過將壓敏電阻與懸臂梁結(jié)構(gòu)片內(nèi)集成，通過構(gòu)筑惠斯登電橋，降低噪聲，可以實現(xiàn)亞赫茲量級的頻率測量分辨率。多目標生物分子聯(lián)合檢測，一方面可以提高檢測通量，另一方面，對于癌癥早診等應用領域，多標志物聯(lián)合檢測可以顯著提高檢測準確性，降低假陽性與假陰性?；趹冶哿旱闹C振式MEMS生物傳感器，通過微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多目標的聯(lián)合檢測。由于微納制造工藝容差，同一傳感單元中的懸臂梁陣列頻率存在一定差異，因此，驅(qū)動懸臂梁陣列進入諧振狀態(tài)，并且快速跟蹤和精確測量每根懸臂梁的諧振頻率是多生物分子高精度檢測的關鍵。

一個完整的MEMS生物傳感器系統(tǒng)主要由生物樣本進樣系統(tǒng)、MEMS懸臂梁諧振傳感單元、接口檢測電路、微流體驅(qū)動控制系統(tǒng)等組成，其中進樣系統(tǒng)提供生物分子檢測的反應腔室，同時為微懸臂梁提供封裝保護。MEMS懸臂梁諧振傳感單元與接口檢測電路實現(xiàn)被測信號傳感與檢測讀出。由于MEMS懸臂梁生物傳感器靈敏度很高，工作時易受環(huán)境溫度變化、沖擊振動、雜質(zhì)干擾等的影響[4]，因此，為了保證檢測結(jié)果的重復性、穩(wěn)定性和準確性，微流體驅(qū)動控制系統(tǒng)的精確可控的自動化進樣、清洗、干燥等操作至關重要。

本文針對MEMS懸臂梁陣列傳感芯片的接口檢測電路、多通道微流體進樣系統(tǒng)、以及微流體驅(qū)動控制系統(tǒng)等進行設計并優(yōu)化，主要解決傳感器信號閉環(huán)下的處理與讀出，提高系統(tǒng)測量精度；解決微流體生物樣本精確進樣控制、快速切換及精確驅(qū)動。為傳感器提供智能集成化的微反應平臺，實現(xiàn)基于微程序控制器(micro-programmed control unit，MCU)的可控、多模式的生化反應及高靈敏、高精度檢測系統(tǒng)。

1 MEMS懸臂梁生物傳感器接口電路設計

本文中MEMS傳感器采用課題組前期研制的多通道MEMS懸臂梁陣列傳感芯片，圖1(a)為懸臂梁陣列芯片的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)照片，傳感芯片為5通道，可同時檢測4種標志物，其余1通道為參考梁，用于降低反應中非特異性吸附的干擾，提高檢測精度[5]。

該生化傳感器工作于微懸臂梁的動態(tài)工作模式，即諧振狀態(tài)下，當檢測樣本中的待測物質(zhì)與表面功能化的微懸臂梁發(fā)生特異性吸附后，懸臂梁的等效質(zhì)量和彈性系數(shù)等物理參數(shù)會發(fā)生相應的改變[6]，使懸臂梁諧振頻率出現(xiàn)偏移。設計相應的頻率跟蹤與檢測模塊，即可實時測量懸臂梁諧振頻率偏移量，從而獲取被測樣本中生物分子的種類和濃度等信息。微懸臂梁的信號檢測電路主要由信號處理電路與頻率測量電路兩部分構(gòu)成。

圖1(b)是單通道懸臂梁及后端的惠斯登電橋電路，當懸臂梁處于諧振狀態(tài)時，位于懸臂梁根部的壓電電阻的阻值以同頻率發(fā)生周期性變化?；菟沟请姌螂娐返墓ぷ髟砣鐖D2所示，在惠斯登電橋輸入端施加電壓Uin，由式(1)可得輸出信號Uout的表達式，通過檢測Uout即可獲得懸臂梁諧振頻率。

(a)SEM圖 (b)單通道示意圖圖1 MEMS懸臂陣列SEM圖及單通道示意圖

圖2 惠斯登電橋電路

(1)

由式(1)可知，增大輸入電壓Uin有利于輸出信號檢測。然而，輸入電壓增大將導致懸臂梁根部的壓阻功率變大，產(chǎn)生的熱量使傳感芯片溫度升高，會影響懸臂梁對待測物質(zhì)的檢測準確性。為了保證高精度、高穩(wěn)定性生物傳感檢測，惠斯登電橋需在較低電壓下工作。此外，微懸臂梁尺寸小，即使在諧振狀態(tài)，其振幅位移量通常只有幾到幾十nm，因此，懸臂梁傳感芯片的輸出信號Uout十分微弱，通常只有μV級別。本文先采用儀表放大器(AD8421，ADI)實現(xiàn)低失調(diào)電壓、高線性度的兩級放大電路，放大后的Uout信號可達數(shù)十mV；然后通過比較器將Uout輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號，進入鎖相環(huán)進行鎖相，鎖相環(huán)的輸出信號通過移相器進行相位調(diào)制，使得激勵信號與懸臂梁諧振信號相位相差2kπ(k=0，±1，±2，…)，懸臂梁始終處于閉環(huán)自激狀態(tài)，如圖3所示。通過放大、鎖相、移相等模塊保證了閉環(huán)系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性[7]。

圖3 信號處理電路框圖

圖3所示電路框圖中，經(jīng)相位調(diào)節(jié)后的信號輸入MCU，根據(jù)方波信號采用等精度測量法進行頻率跟蹤測量[8]，如圖4所示。

圖4 等精度測頻原理

處理器內(nèi)設置預制閘門時間T，在方波信號的上升沿或下降沿臨時開啟并對其進行計數(shù)，同時在此閘門時間內(nèi)對標準時鐘信號進行計數(shù)，分別得到脈沖計數(shù)數(shù)值m和n，由此可得待測信號的頻率為

(2)

式中f0為MCU內(nèi)置標準時鐘頻率，Hz。

采用等精度測量法時，標準信號的脈沖計數(shù)n存在±1的誤差，故總體的相對誤差δ可表示為

(3)

由式(3)可以看出，增大計數(shù)值n可減小頻率測量誤差，通常增大n的方法有2種：一是增加系統(tǒng)內(nèi)預制閘門時間；二是為MCU配置高頻率晶振。本文采用70 MHz的系統(tǒng)時鐘，閘門時間為500 m/s，實現(xiàn)了小于0.01 ppm(1 ppm=10-6)的頻率檢測誤差。

2 微流體驅(qū)動及控制系統(tǒng)

微流體驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)傳感芯片生化檢測進樣、反應、清洗、干燥等過程的自動化控制。首先，將被測生物樣液輸送至微懸臂梁傳感芯片的敏感區(qū)域，實現(xiàn)目標分子與微懸臂梁表面修飾分子的捕獲結(jié)合；反應結(jié)束后，輸送PBS等生物反應清洗液，有效去除非特異吸附分子，提高檢測的信噪比。由于微懸臂在液體中的品質(zhì)因子較低，為了實現(xiàn)高靈敏檢測，在清洗完成后，需對懸臂梁傳感芯片進行吹氣干燥。對于高靈敏微納生物傳感檢測，檢測樣本中目標分子含量較低，生物反應條件如微流體的流速、流向、反應時間等對檢測結(jié)果影響較大，解決該影響需要研究與設計精確的系統(tǒng)驅(qū)動控制方法，實現(xiàn)對待測微流體樣液送樣、清洗、干燥等過程的精密控制。

圖5是本文采用的微流體系統(tǒng)控制電路框圖。微流體驅(qū)動控制系統(tǒng)電路包括MCU、蠕動泵[9]、氣泵以及配套的硬件驅(qū)動控制電路。負載相應的嵌入式驅(qū)動控制程序，實現(xiàn)生化反應微流體精密驅(qū)動控制。

圖5 微流控系統(tǒng)電路框圖

蠕動泵步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)嵌入式程序采用PWM波調(diào)速方法，實現(xiàn)對步進電機的精密轉(zhuǎn)速控制，該方法是通過改變PWM的頻率來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，脈沖信號的驅(qū)動能力是通過增加PWM波占空比來實現(xiàn)。如圖6所示為PWM調(diào)速原理，第一波形是時鐘信號，對比第三條波形與第四條波形，通過改變PWM波周期實現(xiàn)調(diào)速；對比第四條波形與第二條波形，通過改變占空比實現(xiàn)調(diào)速。

圖6 PWM波形示意圖

PWM波的頻率根據(jù)電機的實際參數(shù)確定，為保證電機的扭矩達到最大，由式(4)確定PWM波頻率，使公式左邊項遠遠大于右邊項。

2πfL>>R

(4)

式中：f為頻率；L為電樞電感；R為電樞電阻。

為了使步進電機啟動運轉(zhuǎn)平穩(wěn)以及提高電機使用壽命，采用S型曲線模式進行電機的加速減速操作[10]，不直接給電機加以一定的高速運轉(zhuǎn)。電機的轉(zhuǎn)速與PWM脈沖信號頻率的關系為

(5)

式中v為電機轉(zhuǎn)速，rad/min；f為PWM信號頻率， Hz。

由式(5)可知，當步進電機的細分數(shù)M以及步進電機的步腳距θ確定時，電機轉(zhuǎn)速與PWM頻率成正比。利用MCU機器周期與指令周期關系編寫延時函數(shù)生成頻率可調(diào)的PWM波，其中變量i與k用于設定延時時長，調(diào)用delay函數(shù)用于調(diào)節(jié)占空比。由式(5)調(diào)整PWM信號的頻率對蠕動泵轉(zhuǎn)速進行設置，同時改變MCU對TB656AHQ驅(qū)動電路的使能邏輯，最終由嵌入式程序?qū)崿F(xiàn)電機在不同擋速下的循環(huán)正反轉(zhuǎn)，為系統(tǒng)提供進樣、反應、清洗操作。延時函數(shù)如下：

void delay(uint i){

uchar j,k;

for(j=0;j

for(k=0;k<50;k++);}

void motor_run(){

while(1){

mai_chong=～mai_chong;

delay(3);}}

對于蠕動泵進液量精度的控制，蠕動泵的進液量與泵管內(nèi)徑、泵轉(zhuǎn)子圓周直徑以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關，對于蠕動泵進液量的精密控制可通過嵌入式程序控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角實現(xiàn)。蠕動泵進液量計算公式：

(6)

式中：Q為蠕動泵進液量；D為泵轉(zhuǎn)子圓周直徑，m；d為泵管內(nèi)徑，m；θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，rad。

本文使用蠕動泵轉(zhuǎn)子圓周直徑為2 cm，泵管直徑為1 mm，轉(zhuǎn)子最小轉(zhuǎn)角為1.8°，因此可以計算本系統(tǒng)最小控制液量精度為

(7)

本文基于L298N的驅(qū)動電路通過調(diào)節(jié)直流電機工作電壓控制直流電機，使直流電機工作在合理轉(zhuǎn)速下，為氣閥提供一個穩(wěn)定的氣流速度，實現(xiàn)微系統(tǒng)對微流道環(huán)境的吹氣干燥操作。

3 測試與結(jié)果分析

對文中設計的懸臂梁接口電路進行開環(huán)測試，采用Agilent MXG函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為10 mV、頻率在180～300 kHz(MEMS懸臂梁頻率)范圍內(nèi)的正弦波信號，記錄MCU測量的頻率值與輸入值的差異，測試結(jié)果如圖7所示，可以看出，在輸入信號范圍內(nèi)，測量值與輸入值的誤差在±0.3 Hz內(nèi)，相對誤差小于2 ppm，對于4 Hz懸臂梁測試噪聲，文中設計電路完全滿足對MEMS懸臂梁傳感器的頻率測試精度要求。

圖7 懸臂梁接口電路開環(huán)測試

對MEMS懸臂梁芯片進行閉環(huán)測試，在40 min內(nèi)每5 min對傳感器陣列進行頻率測量，以第一次測量值為基準，40 min內(nèi)5根梁的頻率偏移如圖8所示，可以看出在40 min內(nèi)5根梁的測試頻率值穩(wěn)定在±0.002 Hz內(nèi)，測試抖動小于0.015 ppm，表明懸臂梁測試電路閉環(huán)工作下具有良好的重復性與穩(wěn)定性。

圖8 閉環(huán)頻率測試穩(wěn)定性

進一步地，利用本文設計的生化測試系統(tǒng)對0.1 mol/L的PBS(phosphate buffer saline)磷酸鹽緩沖液進行測試。PBS清洗是生物反應中關鍵的一步，清洗的效果直接決定著反應后懸臂梁的底噪水平。采用500 μL/min的PBS緩沖液循環(huán)反應5 min，800 μL/min的DI水清洗10 min，氣泵干燥5 min。對同一組懸臂梁陣列進行3次重復實驗，測試頻率變化值如表1所示，可以看出，經(jīng)過反應、清洗、干燥等過程處理后，懸臂梁頻率下降值小于3 Hz(5 ppm)，與懸臂梁系統(tǒng)噪聲相當，滿足MEMS懸臂梁傳感器在生物檢測應用中的要求。

表1 PBS樣品系統(tǒng)測試 Hz

4 結(jié)束語

本文設計了基于MEMS懸臂梁的生物測試系統(tǒng)，經(jīng)過實驗驗證，頻率跟蹤檢測電路以及微流體驅(qū)動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對MEMS傳感器的精確測量與控制，實驗數(shù)據(jù)表明測試系統(tǒng)具有良好的重復性、工作穩(wěn)定，并且極大地縮小了檢測設備體積、降低了測試成本。系統(tǒng)開環(huán)測試誤差小于±0.3 Hz，閉環(huán)誤差小于±0.002 Hz，微流體控制精度低至0.247 μL，對PBS樣液測試效果滿足預期目標，為MEMS生化傳感器的推廣奠定了基礎，具有廣闊的實用前景。