專利名稱：提高諧振式超薄懸臂梁傳感器靈敏度的表面應(yīng)力敏感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高諧振式超薄懸臂梁傳感器靈敏度的的表面應(yīng)力敏感 方法。更確切地說是懸臂梁表面吸附的目標(biāo)分子之間的相互作用在懸臂梁上 產(chǎn)生了表面應(yīng)力，引起來懸臂梁傳感器諧振頻率漂移，通過對諧振頻率的監(jiān) 測就可以實(shí)現(xiàn)對痕量的目標(biāo)分子的檢觀U。本發(fā)明屬于微納機(jī)電傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
諧振式懸臂梁傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、便于集成、對力和質(zhì)量具有極高 的靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，近年來在環(huán)境監(jiān)測和生化痕量檢測方面等領(lǐng)域得到了廣泛 的應(yīng)用。
在一定諧振模態(tài)下，懸臂梁的有效質(zhì)量和彈性系數(shù)發(fā)生變化會導(dǎo)致諧振
頻率的變化。早在1995年，T.Thundat在"Detection of mercury vapor using resonating microcantilevers" (Applied Physics Letter, 66(1995)1695-1697) —文
中就指出當(dāng)諧振式微機(jī)械懸臂梁在檢測待測物質(zhì)時，其諧振頻率會受到彈 性系數(shù)變化z^:和吸附質(zhì)量z1附兩種因素的影響。目前，在大多數(shù)的諧振式微 納機(jī)械懸臂梁傳感器的應(yīng)用過程中，都是將質(zhì)量增大引起的諧振頻率降低視 為準(zhǔn)確信號，通過吸附質(zhì)量dm引起諧振頻率變化來進(jìn)行生化痕量檢測；而
將吸附引起的彈性系數(shù)增大引起諧振頻率上升視為干擾影響，予以忽略或者 抑制。例如，2000年Cornell大學(xué)H. G Craighead等人在"Mechanical resonant immunospecific biological detector" (Applied Physics Letter, 77[3](2000)450-452) 一文中，用PECVD(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積)制備了 100^mx20^imx0.32nm 的Si3N4懸臂梁，在其前端涂覆0157:H7抗體后，可以選擇性吸附細(xì) 胞，在空氣中對單個五.co/Z細(xì)胞進(jìn)行檢測。2004年，Purdure大學(xué)的R.Bashir 等人在"Single virus particle mass detection using microresonators with nanoscale thickness"—文中用SOI(絕緣體上的硅)硅片制作了尺寸為3.6^mX 1.7|umX 0.03^m的單晶硅懸臂梁，諧振頻率約1.2MHz,在空氣中檢測到了一個天花 病毒。
4由此可見，在質(zhì)量敏感機(jī)制下，隨著微細(xì)加工技術(shù)的迅速發(fā)展，諧振式 懸臂梁通過尺寸的日益縮減可以實(shí)現(xiàn)對單個生物細(xì)胞的探測。然而，這種敏 感方式對于化學(xué)氣體的探測并不十分理想。這是由于化學(xué)分子的質(zhì)量同生物 細(xì)胞相比要小很多，懸臂梁上通過特異性結(jié)合吸附上的化學(xué)分子產(chǎn)生的附加 質(zhì)量太輕，不足以引起懸臂梁傳感器的諧振頻率發(fā)生明顯的漂移，所以很難 被探測到。為了實(shí)現(xiàn)對化學(xué)氣體分子的檢測，人們試圖通過繼續(xù)縮小懸臂梁 的尺寸來提高懸臂梁傳感器的質(zhì)量檢測靈敏度，但是這種方法并不現(xiàn)實(shí)一 方面，生化檢測需要一定的表面積來進(jìn)行特異性反應(yīng)吸附足夠質(zhì)量的目標(biāo)分 子；另一方面，為了最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的便攜式應(yīng)用， 一定的驅(qū)動和檢測元件需 要被制作在懸臂梁上，這也要求懸臂梁的尺寸不能無限制的縮小。因此，進(jìn) 一步提高諧振式懸臂梁傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對化學(xué)氣體分子的檢測，需要 另辟蹊徑。
能否提出一種既靈敏度高又不受待測的目標(biāo)分子質(zhì)量大小限制的檢測方 法，是解決諧振式微納懸臂梁傳感器對于生化氣體檢測問題的根本所在，也 正是本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高諧振式超薄懸臂梁靈敏度的表面應(yīng)力敏 感的方法，以解決諧振式微納懸臂梁用于生化的痕量檢測。具體地說，本 發(fā)明是針對厚度在500納米以下的超薄微納懸臂梁傳感器，提出一種優(yōu)于傳 統(tǒng)質(zhì)量吸附敏感的高靈敏度敏感檢測方法。
本發(fā)明提供的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方法是基于 以下3方面的考慮
(1) .當(dāng)懸臂梁的厚度在500納米以下很薄量級，懸臂梁的各項(xiàng)性能受其 表面效應(yīng)的影響比較大；此時懸臂梁的表面效應(yīng)占主導(dǎo)地位，懸臂梁傳感器 利用表面應(yīng)力敏感方式進(jìn)行生化痕量測試，會有更優(yōu)的靈敏度特性；
(2) .懸臂梁傳感器對目標(biāo)分子在其上產(chǎn)生的表面應(yīng)力進(jìn)行敏感探測是基 于表面應(yīng)力的產(chǎn)生會改變了懸臂梁的彈性系數(shù)，從而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化；
(3) .懸臂梁傳感器工作在諧振模態(tài)下，依據(jù)懸臂梁在一定諧振模態(tài)下的 諧振頻率的漂移情況來探測其上表面應(yīng)力的變化。
在超薄的諧振式懸臂梁的上、下表面上均自組裝生長一層能夠進(jìn)行選擇特異性識別的單分子敏感膜，當(dāng)敏感分子與待檢測的目標(biāo)分子特異性結(jié)合后， 目標(biāo)分子之間的相互作用會在懸臂梁的上、下表面上產(chǎn)生足夠大的表面應(yīng)力， 上、下表面應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致懸臂梁的彈性系數(shù)發(fā)生變化，由于懸臂梁的 彈性系數(shù)變化，引起了其固有諧振頻率的明顯漂移，通過測量諧振頻率的變 化即可實(shí)現(xiàn)對生化痕量氣體的檢測。同傳統(tǒng)的利用質(zhì)量吸附方法進(jìn)行敏感測 試相比，利用這種表面應(yīng)力敏感的方法進(jìn)行生化痕量測試，可以使懸臂梁傳 感器的檢測靈敏度提高一個數(shù)量級；這是由于當(dāng)懸臂梁的厚度下降到了納米 量級，懸臂梁的表面效應(yīng)對器件性能的影響將會占主導(dǎo)地位，這樣一來，由 于表面吸附引起的彈性系數(shù)變化^C對于諧振頻率的影響會遠(yuǎn)大于吸附質(zhì)量 Zlw對其的影響，具體分析如下
一方面，質(zhì)量敏感機(jī)制下，諧振式懸臂梁傳感器的質(zhì)量靈敏度可以表示
為
△/。
, 1 "/o (1)
△附/ iS" 2 w w
其中，/。是懸臂梁的諧振頻率，附f為懸臂梁的有效質(zhì)量；f、 6、 /分別 為懸臂梁的厚度、寬度和長度；5=6/是懸臂梁的表面積，zlmAS代表懸臂梁 表面單位面積上的吸附質(zhì)量，對于一定結(jié)構(gòu)的懸臂梁傳感器來說，它是一個 常數(shù)；由于/ /-2^ ， d/p，我們可以推導(dǎo)出
^■od'V"2 (2) A附"
這里￡為懸臂梁的楊氏模量，戶為懸臂梁的密度，通過上式可以看出， 懸臂梁諧振器的質(zhì)量靈敏度與其厚度沒有關(guān)系。可見，將懸臂梁的厚度減薄 到納米量級對于改善懸臂梁傳感器的質(zhì)量靈敏度沒有任何幫助。
另一方面，對于懸臂梁結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)一定的吸附物附著于懸臂梁的表面 時，上、下表面應(yīng)力共同作用將會使懸臂梁在軸向上產(chǎn)生一定的拉伸或壓縮， 相應(yīng)地懸臂梁中性面上即會產(chǎn)生一定的軸向張力或壓力，從而使得懸臂梁的 彈性系數(shù)發(fā)生變化。通過理論分析，表面應(yīng)力的大小與其引起懸臂梁諧振頻率 的漂移(4A)之間的關(guān)系可以表示為
針對表面吸附引起的表面應(yīng)力G，懸臂梁傳感器的頻率變化靈敏度可以
6表示為
AA/ K士廠2(五p)—1/2 (4)
其中，當(dāng)懸臂梁上的表面應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力時，頻率變化為正號；而當(dāng) 懸臂梁上的表面應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力時，頻率變化為負(fù)號。由此可以看出，懸 臂梁傳感器的表面應(yīng)力靈敏度不同于質(zhì)量靈敏度，其大小與懸臂梁厚度的平 方成反比。
通過比較可以看出質(zhì)量敏感機(jī)制下，懸臂梁傳感器的質(zhì)量靈敏度與厚 度無關(guān)；而表面應(yīng)力敏感機(jī)制下，懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力靈敏度與厚度的 平方成反比。這就意味著，減薄懸臂梁的厚度雖然對于懸臂梁傳感器的質(zhì)量 靈敏度沒有任何作用，卻能有效提高懸臂梁傳感器對于表面應(yīng)力的敏感程度。 這個結(jié)論不難理解，在一個超薄的硅懸臂梁結(jié)構(gòu)中，位于其表面的硅原子數(shù) 量相對較多，甚至于可以同其體內(nèi)的硅原子數(shù)目相比，因此， 一些重要的性 能難免會受其表面效應(yīng)的影響。另外，通過比較還可以看出，懸臂梁傳感器 的質(zhì)量靈敏度與其楊氏模量成正比，而懸臂梁傳感器的應(yīng)力靈敏度與其楊氏 模量的大小成反比。當(dāng)懸臂梁的厚度減小到納米量級的時候，由于納米效應(yīng) 其楊氏模量的大小將會隨之明顯下降，這對于表面應(yīng)力敏感機(jī)制下的傳感器 提高其應(yīng)力靈敏度來說是一個有利條件。因此，可以認(rèn)為，厚度在納米量級 的的懸臂梁傳感器，利用表面應(yīng)力敏感方法來進(jìn)行敏感測試，會具有更優(yōu)的 靈敏特性。
由此可見，本發(fā)明的其特征在于懸臂梁工作在諧振模態(tài)下，包括彎曲諧 振模態(tài)和扭轉(zhuǎn)諧振模態(tài)。
所述的懸臂梁的表面材料是硅和氧化硅，但是并不局限與此，可以是其 他氧化物或者半導(dǎo)體材料。
所述的自組裝單分子敏感膜(SAM)的特征在于
(1) . S顏是一種熱力學(xué)性能穩(wěn)定和能量最低的有序膜；
(2) .結(jié)構(gòu)緊密且表面結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定
(3) .制備簡單，且與懸臂梁結(jié)構(gòu)的表面材料有很好的相容性
(4) .分子末端功能基團(tuán)(如一CH3 、 一COOH和一OH等)相對容易改變，
選擇性好。綜上所述，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是
(1) .利用表面應(yīng)力敏感的方法，通過減薄懸臂梁傳感器的厚度就可以進(jìn)一步 提高其檢測靈敏度。
(2) .懸臂梁的厚度在納米量級時，同傳統(tǒng)的質(zhì)量吸附敏感方式相比，這種敏 感方法決有更高的靈敏度特性。
(3) 不受待測分子的質(zhì)量大小限制，既可以用于質(zhì)量相對較大的生物細(xì)胞分子 的測試，也可用于分子質(zhì)量較小的化學(xué)氣體的檢測。


圖1本發(fā)明中使用的扭轉(zhuǎn)模態(tài)諧振式硅納機(jī)械懸臂梁傳感器的具體結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖2.本發(fā)明中使用的扭轉(zhuǎn)模態(tài)諧振式懸臂梁質(zhì)量傳感器在Ti膜去掉前 后的諧振幅頻曲線及其頻率漂移情況。
圖3.采用本發(fā)明進(jìn)行測試的三甲胺氣體在懸臂梁上的響應(yīng)機(jī)制示意圖，
3-l為未吸附，3-2為吸附后。
圖4采用本發(fā)明進(jìn)行測試的扭轉(zhuǎn)模態(tài)懸臂梁傳感器在大氣環(huán)境下和四甲 基氫氧化銨(TMAH)蒸汽環(huán)境下的諧振幅頻曲線及其頻率漂移情況。
圖5.本發(fā)明中采用的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)超薄硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器的制 作工藝流程。
圖6.本發(fā)明中采用的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)超薄硅微機(jī)械壓阻懸臂梁諧振器的電 鏡圖片。
圖中a^—正應(yīng)力 CT^ —剪切應(yīng)力
B—恒定磁場 z'—驅(qū)動電流
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)例進(jìn)一步闡述本發(fā)明提出的超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng) 力敏感方法的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明決非僅限于實(shí)施例。
以一個厚度約為95納米的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)硅懸臂梁傳感器為例，其平面 俯視圖及具體尺寸如圖l所示，通過對三甲胺氣體和氨氣進(jìn)行敏感實(shí)驗(yàn)，并 與傳統(tǒng)的質(zhì)量吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，詳細(xì)說明這種表面應(yīng)力敏感方法的原理和
效果。這類納懸臂梁傳感器的基本工作原理如下懸臂梁在一定驅(qū)動力作用
下會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，當(dāng)驅(qū)動力的頻率與懸臂梁一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的諧振頻率相時，懸臂梁將會發(fā)生一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的諧振，敏感壓阻將梁上的剪切應(yīng)力變化
轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行輸出，通過后面接口電路的信號處理就可在網(wǎng)絡(luò)分析儀上
得到該懸臂梁的振幅諧振曲線。通過吸附前后諧振頻率漂移情況的對比，就
可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子的檢測。
為了比較效果，我們首先設(shè)計了一個簡單的質(zhì)量敏感實(shí)驗(yàn)最初，我們
在制作懸臂梁傳感器的驅(qū)動線圈(Cr/Au)的同時，在其上(如圖1中所標(biāo)注
的位置)蒸發(fā)了 15nm厚的鈦膜，利用上述檢測方法，即可以測出有鈦膜吸附
的懸臂梁傳感器的諧振頻率曲線；當(dāng)驅(qū)動線圈上的Ti膜用加熱的雙氧水去除
后，可將懸臂梁看作是無質(zhì)量吸附的傳感器再進(jìn)行測試，并與先前的測試結(jié)
果進(jìn)行比較。通過比較發(fā)現(xiàn)懸臂梁傳感器的諧振頻率增加了 4.12KHz，具體
的測試結(jié)果如圖2所示。蒸發(fā)在懸臂梁上的Ti膜的質(zhì)量約有114pg，而Ti
膜去除后該懸臂梁傳感器的諧振頻率從33.525KHz增加到37.65KHz，由此
通過簡單計算可得到該傳感器的實(shí)際質(zhì)量靈敏度約為&、^^36.1Hz/pg 。
A附
在進(jìn)行表面應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)中，為了獲得致密有序的SAM，納懸臂梁的表 面必須保持清潔，因此，在修飾之前需要將懸臂梁傳感器放入雙氧水中加熱 煮沸，以便去除懸臂梁表面吸附的雜質(zhì)和氧化物，大約5min后取出并立即放 入丙酮溶液中清洗數(shù)遍，在室溫下晾干備用。通過諧振特性的測量，記錄該 微納懸臂梁傳感器的諧振頻率作為參考。SAM在微納懸臂梁表面的自組裝生 長過程為把懸臂梁浸在濃度為1% (體積百分比)的羧乙基三羥基硅二鈉 鹽溶液，同時在反應(yīng)液中加入1% (體積百分比)的冰醋酸溶液作為催化劑， 使溶液的PH值保持在6 — 7之間， 一般通過大于30分鐘的自組裝反應(yīng)后，將 器件取出，并用丙酮清洗數(shù)次以去除上面的殘?jiān)缓笤?0°C的烘箱中放置 5分鐘左右，即可完成對傳感器的懸臂梁上、下表面的單分子敏感膜的組裝。 所述的溶液、催化劑以及使用的濃度依具體組裝的SAM不同而不同。自此傳 感器便可以對對應(yīng)的化學(xué)氣體進(jìn)行特異性敏感檢測。表面修飾后再次對微納 懸臂梁傳感器的諧振特性進(jìn)行測試，記錄該納懸臂梁傳感器的諧振頻率作為 參考。
本實(shí)施例檢測的目標(biāo)分子是三甲胺(N(CH3)3)氣體， 一種魚新鮮程度的 標(biāo)記分子，器件在經(jīng)過上述表面修飾過后，在懸臂梁的Si02表面和Si表面 通過Si—O鍵自組裝了末端為羧基的硅垸化單層分子膜，該單層分子膜對其能夠進(jìn)行特異性吸附，具體的響應(yīng)機(jī)制如圖3所示。
在實(shí)際的檢測中，將四甲基氫氧化銨(TMAH)粉末裝入廣口瓶中，測
量室溫條件下在瓶口處揮發(fā)出的三甲胺的痕量濃度，其反應(yīng)的方程式為 N (CH3) 4OH——N(CH3)3+CH3OH (5)
三甲胺氣體濃度經(jīng)商用標(biāo)準(zhǔn)傳感器標(biāo)定，結(jié)果為6 — 7ppm。測試過程中，當(dāng) 表面功能化的器件插進(jìn)瓶內(nèi)，懸臂梁的諧振頻率迅速增加并在30秒內(nèi)得到穩(wěn) 定，反應(yīng)前后具體的測試結(jié)果如圖4所示。由此可見，對于濃度為6-7ppm 的三甲胺氣體，該懸臂梁傳感器的頻率響應(yīng)曲線明顯地向右漂移了 4.10kHz。 在較低的濃度范圍內(nèi)，待測氣體的濃度與懸臂梁頻率漂移之間的關(guān)系基本上 可以認(rèn)為是線性的，因此，根據(jù)頻率信號的噪聲水平，氣休檢測的濃度分辨 率可達(dá)到O.lppm以下。
為了同質(zhì)量吸附實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果進(jìn)行比較，首先，需要對表面應(yīng)力機(jī)制 下懸臂梁的質(zhì)量靈敏度進(jìn)行估算。通過利用Materials Studio V3.1軟件進(jìn)行模 擬，得到每個三甲胺分子在懸臂梁上平均占有0.2011012的面積。在此，假定 在懸臂梁的Si和Si02表面上的羥基-OH的密度足夠大，使得懸臂梁的兩個 表面上全部都能吸附上三甲胺分子；根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所選用懸臂梁的具體尺寸， 我們可以理論計算出懸臂梁的兩個表面上最多吸附三甲胺分子的數(shù)量為 4.86xl010，折合成質(zhì)量約為4.77pg;由于反應(yīng)前后懸臂梁傳感器的頻率漂移 了 4.10kHz，通過計算就可以得到表面應(yīng)力敏感機(jī)制下相應(yīng)的質(zhì)量靈敏度約 為860Hz/pg。需要說明的是，現(xiàn)實(shí)情況中懸臂梁上吸附的三甲胺分子數(shù)目將 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計算中得到的最大值。由此可見，這種特定的分子吸附產(chǎn)生的 表面應(yīng)力增大了懸臂梁傳感器的諧振頻率；同傳統(tǒng)的導(dǎo)致傳感器頻率下降的 質(zhì)量吸附相比，這種敏感方法具有更高的質(zhì)量靈敏度，大小提高了約20倍。
本實(shí)施例所用懸臂梁傳感器的制作工藝流程如圖5所示，并詳述如下
(a) .采用N型S0I(絕緣體上的硅)硅片，將頂層硅氧化減薄至懸臂梁厚度， 熱氧化形成35nm的氧化層作為絕緣層.
(b) .利用光刻膠做掩膜，離子束刻蝕掉未保護(hù)的硅及氧化硅，形成梁結(jié)構(gòu)圖形
(c) .利用光刻膠做掩膜形成壓阻圖形，注入硼離子(50KeV， lel5)，并在1000
。C氮?dú)獗Ｗo(hù)下退火30min，在表層硅中形成濃度為2el9的壓阻。
(d) .第三次光刻，開引線孔，用緩沖氫氟酸漂去引線孔中的氧化硅.(e) .濺射鋁薄膜，光刻膠做掩膜形成鋁導(dǎo)線圖形，鋁腐蝕并合金化,在壓阻處 形成歐姆接觸.
(f) .在硅片上涂光刻膠，光刻顯影，只前烘不后烘，蒸發(fā)金薄膜，采用剝離工 藝形成用于電磁驅(qū)動的金線圈.
(g) .光刻膠做掩膜形成刻蝕窗口 ；禾'J用XeF2刻蝕從正面面掏空梁下面的硅。
(h) .用B0E腐蝕掉SOI中間的氧化層，丙酮浸泡去膠完全釋放梁結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述工藝，最后制得的扭轉(zhuǎn)模態(tài)懸臂梁及其厚度測量的SEM圖片如 圖6所示，需要說明的是對梁的厚度進(jìn)行測量時，懸臂梁與圖像所在平面存在 一個45。的傾角，去掉表面覆蓋的35nm的氧化層，懸臂梁的厚度約為95nm。
權(quán)利要求
1、一種提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方法，其特征在于(1). 懸臂梁傳感器的上、下表面上通過自組裝都生長一層單分子敏感膜，且敏感分子與待測的目標(biāo)分子發(fā)生特異性結(jié)合；(2). 當(dāng)敏感分子與待檢測的目標(biāo)分子特異性結(jié)合后，目標(biāo)分子之間的相互作用能夠在懸臂梁的上下表面產(chǎn)生了表面應(yīng)力；(3). 上下表面應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致懸臂梁的彈性系數(shù)發(fā)生變化，從而改變了懸臂梁傳感器的諧振頻率；通過對諧振頻率漂移的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對敏感痕量的目標(biāo)分子的檢測。
2、 按權(quán)利要求1所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方 法，其特征在于所述的懸臂梁傳感器工作在諧振模態(tài)下為彎曲諧振模態(tài)或扭 轉(zhuǎn)諧振模態(tài)。
3、 按權(quán)利要求1所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方 法，其特征在于所述的超薄懸臂梁的厚度為500納米以下的量級。
4、 按權(quán)利要求3所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方 法，其特征在于所述的懸臂梁的厚度為500納米以下的量級時，表面應(yīng)力大 小與懸臂梁厚度的平方成反比。
5、 按權(quán)利要求1所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方 法，其特征在于所述的自組裝單分子敏感膜為(1).單分子敏感膜是一種熱力學(xué)性能穩(wěn)定和能量最低的有序膜； (2). 結(jié)構(gòu)緊密且表面結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定；(3) .與懸臂梁結(jié)構(gòu)的表面材料有相容性；(4) . -CH3、 -COOH或-OH的分子末端的功能基團(tuán)相對容易改變，選擇性好。
6、 按權(quán)利要求1或5所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏 感方法，其特征在于自組裝單分子敏感膜的過程是把懸臂梁浸在體積百分 數(shù)濃度為1%的羧乙基三羥基硅二鈉鹽溶液，同時在溶液中加入體積百分?jǐn)?shù) 為1%的冰醋酸溶液作為催化劑，使溶液的ra值保持在6 — 7之間，通過30 分鐘以上的自組裝反應(yīng)后取出，并用丙酮清洗以去除上面的殘?jiān)缓笤?0°C 的烘箱中放置5分鐘，即可完成對傳感器懸臂梁上、下表面單分子敏感膜的 組裝，所述的溶液、催化劑以及使用的濃度依具體組裝的單分子敏感膜而不 同。
7、 按權(quán)利要求6所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方法，其特征在于所述的待測目標(biāo)分子為三甲胺氣體，單分子敏感膜為羥基的硅烷化單分子膜。
8、 按權(quán)利要求1所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方法，其特征在于使懸臂梁傳感器的檢測靈敏度提高一個數(shù)量級。
9、 按權(quán)利要求7所述的提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方法，其特征在于三甲胺氣體的濃度分辨率為O.lppm以下。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高諧振式超薄懸臂梁傳感器的表面應(yīng)力敏感方法，屬于微機(jī)械傳感技術(shù)領(lǐng)域。具體特征是在超薄的諧振式懸臂梁的上、下表面上均自組裝生長能夠進(jìn)行選擇特異性識別的單分子敏感膜，當(dāng)敏感分子與待檢測的目標(biāo)分子特異性結(jié)合后，目標(biāo)分子之間的相互作用在懸臂梁的表面上產(chǎn)生了表面應(yīng)力，上下表面應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致懸臂梁的彈性系數(shù)發(fā)生變化，從而改變了懸臂梁的固有諧振頻率，通過測量諧振頻率的變化即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子的檢測。同傳統(tǒng)的利用質(zhì)量吸附方法進(jìn)行敏感測試相比，利用這種表面應(yīng)力敏感的方法進(jìn)行生化痕量測試，其靈敏度可以提高一個數(shù)量級。本發(fā)明特點(diǎn)是原理簡單、靈敏度高、容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01N19/00GK101477029SQ20091004548
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者夏曉媛, 李昕欣 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所