基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，該傳感器的數據采集器采用具有硅鋁異質結形成的巨壓阻結構的懸臂梁結構，能夠在相同應力條件下產生更大的電阻阻值變化，從根本上提高了生化傳感器的靈敏度；采用兩個相鄰的共模信號補償結構，能夠保證該生化傳感器的每個懸臂梁在復雜外界環(huán)境下的測量精度，降低了因個別懸臂梁失靈對測量結果產生的影響；另外，該傳感器采用四線制測量方法以及信號的放大、濾波調理電路，可得到較為精準的信號，削弱噪聲等外界因素對檢測結果的影響，可以達到高精度、穩(wěn)定測量的效果。
【專利說明】
基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，屬于微納機電系統(tǒng)傳 感器技術領域。
【背景技術】
[0002] 從上世紀80年代以來隨著MEMS(微機電系統(tǒng))技術的快速發(fā)展，越來越多的MEMS器 件被廣泛應用于工農業(yè)、航空航天、氣象環(huán)境、國防軍事等各個領域。而近些年來隨著微探 針與微流計等器件的研制成功，數量眾多的MEMS器件進入了化學分析、生物檢測、醫(yī)藥篩選 和公共環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測等領域。然而，目前的生化傳感器由于器件本身結構限制，無法實現實 時高精度、高靈敏度的生化檢測。
[0003] 微型懸臂梁作為MEMS器件中一種極其重要的基本結構一直是人們研究的熱點?；?于懸臂梁結構的傳感器可以將待檢測量，如質量、溫度、應力等參數轉化為懸臂梁的靜態(tài)彎 曲量或者動態(tài)諧振頻率變化量，從而實現對待測量快速、準確的測量。盡管如此，傳統(tǒng)的壓 阻結構懸臂梁傳感器電阻應變系數小，隨著傳感器尺寸的變小，由于自身結構和工藝的限 制，如:大面積吸附引起懸臂梁彈性常數變化，產生頻率偏移而導致測量誤差;液體生化環(huán) 境中懸臂梁品質因子大幅降低，導致靈敏度降低等等，這類傳感器已經不能滿足現代高靈 敏度測試的要求。同時傳統(tǒng)的生化傳感器由于受到環(huán)境中溫度、濕度、光照等因素的影響， 缺少信號補償，使得測量精度產生較大偏差，無法滿足用戶在復雜外界環(huán)境條件下高精度、 高靈敏度的生化檢測要求。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型為了解決現有技術中存在的上述缺陷和不足，提供了一種基于巨壓阻 結構的懸臂梁生化傳感器，該生化傳感器的懸臂梁采用硅鋁異質結形成的巨壓阻結構，其 壓阻系數與應變系數均數量級地增加，極大地提升了傳感器的靈敏度，可以有效地捕捉生 化病毒分子。
[0005] 為解決上述技術問題，本實用新型提供一種基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感 器，包括數據采集器、四線制測量電路、AD7794模數轉換器、MSP430F169單片機和LCD12864 液晶顯示屏，所述數據采集器將采集到的數據通過四線制測量電路傳輸給AD7794模數轉換 器，AD7794模數轉換器轉換后輸出至MSP430F169單片機，由MSP430F169單片機發(fā)送至 IXD12864液晶顯示屏，在IXD12864液晶顯示屏上顯示；
[0006] 所述數據采集器包括基底和依次固定在所述基底上的若干個懸臂梁，若干個所述 懸臂梁串聯由同一個恒流源供電，所述相鄰兩個懸臂梁的固定端之間通過金屬鋁材質的連 接線相連;所述懸臂梁包括依次設置的檢測區(qū)、金屬鋁段區(qū)、巨壓阻結構區(qū)、摻雜硅段區(qū)，所 述檢測區(qū)由金屬鋁段區(qū)的端部自組裝后表面修飾高分子敏感材料或者生物活性分子材料 而成，位于懸梁臂的自由端，所述摻雜硅段區(qū)位于懸臂梁的固定端，所述巨壓阻結構區(qū)為硅 鋁異質結，所述懸臂梁的固定端上設有電位測量點。
[0007] 進一步，所述懸臂梁的兩邊均設有共模信號補償結構，每個懸臂梁利用與之相鄰 的兩個共模信號補償結構消除噪聲，且相鄰兩個懸臂梁共用一個共模信號補償結構。
[0008] 進一步，所述共模信號補償結構與所述懸臂梁的尺寸和組成材料相同。
[0009] 進一步，所述共模信號補償結構與所述懸臂梁串聯由同一恒流源供電，所述共模 信號補償結構與所述懸臂梁之間通過金屬鋁材質的連接線相連。
[0010] 進一步，所述金屬鋁段區(qū)的寬度為70-100μπι、長度為35-60μπι，所述摻雜硅段區(qū)的 寬度為70-100μηι、長度為6μηι。
[0011] 進一步，所述基底為SOI硅片。
[0012]進一步，所述四線制測量電路與所述AD7794模數轉換器之間設有依次相連的多路 選擇器和放大濾波電路。
[0013] 進一步，所述放大濾波電路包括由電阻1?1、1?2、1?3、1?4與差分放大器408216構成的 第一級放大電路，由電阻R5和電容C1、電阻R7和電容C2構成的二階RC低通濾波器，由電阻 R6、電阻R8、電容C5與差分放大器AD8216構成的第二級放大電路，由精密運放0PA177、電阻 R9、電阻R10、電容C3和電容C4構成的二階有源低通濾波電路。
[0014] 本實用新型所達到的有益技術效果:本實用新型提供一種基于巨壓阻結構的懸臂 梁生化傳感器，該傳感器的數據采集器采用具有硅鋁異質結形成的巨壓阻結構的懸臂梁結 構，能夠在相同應力條件下產生更大的電阻阻值變化，從根本上提高了生化傳感器的靈敏 度;采用兩個相鄰共模信號補償結構，能夠保證該生化傳感器的每個懸臂梁在復雜外界環(huán) 境下的測量精度，降低了因個別懸臂梁失靈對測量結果產生的影響；另外，該傳感器采用四 線制測量方法以及信號的放大、濾波調理電路，可得到較為精準的信號，削弱噪聲等外界因 素對檢測結果的影響，可以達到高精度、穩(wěn)定測量的效果。
【附圖說明】
[0015] 圖1本實用新型之數據采集器結構示意圖；
[0016] 圖2本實用新型之四線制測量電路圖；
[0017] 圖3本實用新型之放大濾波電路圖；
[0018] 圖4本實用新型之巨壓阻結構的應變系數隨摻雜硅段區(qū)長度變化曲線圖；
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本 實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。
[0020] 如圖1-3所示，本實用新型提供一種基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，包括數 據采集器、四線制測量電路、AD7794模數轉換器、MSP430F169單片機和LCD12864液晶顯示 屏，所述數據采集器將采集到的數據通過四線制測量電路傳輸給AD7794模數轉換器， AD7794模數轉換器轉換后輸出至MSP430F169單片機，由MSP430F169單片機發(fā)送至LCD12864 液晶顯示屏，在IXD12864液晶顯示屏上顯示；
[0021] 所述數據采集器包括基底1和依次固定在所述基底上的若干個懸臂梁2,分別為 Cl，C2……CN，基底1為SOI硅片，若干個所述懸臂梁2串聯由同一個恒流源供電，恒流源在提 供恒定電流的同時，減少因電源不同造成的測量結果誤差，所述相鄰兩個懸臂梁2的固定端 之間通過金屬鋁材質的連接線4相連;所述懸臂梁2包括依次設置的檢測區(qū)21、金屬鋁段區(qū) 22、巨壓阻結構區(qū)23、摻雜硅段區(qū)24,所述檢測區(qū)21由金屬鋁段區(qū)22的端部自組裝后表面修 飾高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成，位于懸梁臂2的自由端，所述摻雜硅段區(qū)24 位于懸臂梁2的固定端，所述巨壓阻結構區(qū)23為硅鋁異質結，所述懸臂梁2的固定端上設有 電位測量點。
[0022] 被測分子掉落在懸臂梁的檢測區(qū)，形成重量壓力后導致懸臂梁彎曲，懸臂梁彎曲 進一步導致其表面尤其是根部區(qū)域產生較大應力，該應力導致硅鋁異質結的巨壓阻效應凸 顯，即該應力調整了硅鋁異質結的勢皇高度，使電子通過的數量發(fā)生巨大變化，從而使電阻 發(fā)生數量級巨變。相對于傳統(tǒng)的懸臂梁傳感器，采用由硅鋁異質結形成的巨壓阻結構的懸 臂梁生化傳感器在相同應力條件下能夠產生更為明顯的電阻阻值變化，因而本專利從傳感 結構上提高了生化傳感器的靈敏度。
[0023] 若干個所述懸臂梁的兩側設有不可動的共模信號補償結構3,分別為P1，P2…… PN，每個懸臂梁均可利用與之相鄰的兩個共模信號補償結構消除噪聲，且相鄰兩個懸臂梁 共用一個共模信號補償結構3,采用共模信號補償結構，使得本實用新型能夠根據外界環(huán)境 的不同，提供溫度、濕度等共模信號補償。所述共模信號補償結構3與所述懸臂梁2的尺寸和 組成材料相同。所述共模信號補償結構3與所述懸臂梁2串聯由同一恒流源供電，恒流源正 負極接入端分別為1+，1-，所述共模信號補償結構3與所述懸臂梁2之間通過金屬鋁材質的連 接線4相連。
[0024] 每個懸臂梁2和共模信號補償結構3均采用四線制測量電路進行電壓測量，以消除 傳統(tǒng)二線制測量中存在的寄生壓降，提高測量結果的精確度，四線制測量電路的電位檢測 點分別為％，仏，屯，巧，心， Γ?，仏，G，巧。每個懸臂 梁的測量結果，如C1的電壓測量結果按照公另
>計算得 到，最終的測量結果為若干個懸臂梁測量結果的平均值，按照公式
-計 算得到。用戶可根據實際情況選擇懸臂梁的個數，即使當個別懸臂梁測量出現誤差時，通過 多個懸臂梁陣列測量求平均值，也可以使得最終測量誤差大幅減小。
[0025] 所述四線制測量電路與所述AD7794模數轉換器之間設有依次相連的多路選擇器 和放大濾波電路。所述放大濾波電路能有效的抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系 統(tǒng)的精度，具有較高的增益及較寬的增益調節(jié)范圍，具體包括由電阻則、1?2、1?、1?4與差分放 大器AD8216構成的第一級放大電路，由電阻R5和電容C1、電阻R7和電容C2構成的二階RC低 通濾波器，由電阻R6、電阻R8、電容C5與差分放大器AD8216構成的第二級放大電路，由精密 運放0PA177、電阻R9、電阻R10、電容C3和電容C4構成的二階有源低通濾波電路。二階低通濾 波器用來去除高頻噪聲，降低總噪聲電壓，檢測有用信號。
[0026] 試驗表明，懸臂梁的尺寸極大地影響了巨壓阻結構的壓阻與應變系數，因此，所述 金屬鋁段區(qū)的寬度為70-100μπι、長度為35-60μπι，所述摻雜硅段區(qū)的寬度為70-100μπι、長度 為6μπι。圖4為巨壓阻結構的應變系數隨摻雜硅段區(qū)長度變化曲線圖。
[0027] 以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改 進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:包括數據采集器、四線制測量電 路、AD7794模數轉換器、MSP430F169單片機和LCD12864液晶顯示屏，所述數據采集器將采集 到的數據通過四線制測量電路傳輸給AD7794模數轉換器，AD7794模數轉換器轉換后輸出至 MSP430F169單片機，由MSP430F169單片機發(fā)送至LCD12864液晶顯示屏，在LCD12864液晶顯 示屏上顯示； 所述數據采集器包括基底和依次固定在所述基底上的若干個懸臂梁，若干個所述懸臂 梁串聯由同一個恒流源供電，所述相鄰兩個懸臂梁的固定端之間通過金屬鋁材質的連接線 相連;所述懸臂梁包括依次設置的檢測區(qū)、金屬鋁段區(qū)、巨壓阻結構區(qū)、摻雜硅段區(qū)，所述檢 測區(qū)由金屬鋁段區(qū)的端部自組裝后表面修飾高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成， 位于懸梁臂的自由端，所述摻雜硅段區(qū)位于懸臂梁的固定端，所述巨壓阻結構區(qū)為硅鋁異 質結，所述懸臂梁的固定端上設有電位測量點。2. 根據權利要求1所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述懸臂 梁的兩側均設有共模信號補償結構，每個懸臂梁利用與之相鄰的兩個共模信號補償結構消 除噪聲，且相鄰兩個懸臂梁共用一個共模信號補償結構。3. 根據權利要求2所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述共模 信號補償結構與所述懸臂梁的尺寸和組成材料相同。4. 根據權利要求2所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述共模 信號補償結構與所述懸臂梁串聯由同一恒流源供電，所述共模信號補償結構與所述懸臂梁 之間通過金屬鋁材質的連接線相連。5. 根據權利要求1所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述金屬 鋁段區(qū)的寬度為70-100μπι、長度為35-60μπι，所述摻雜硅段區(qū)的寬度為70-100μπι、長度為6μ m〇6. 根據權利要求1所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述基底 為SOI硅片。7. 根據權利要求1所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述四線 制測量電路與所述AD7794模數轉換器之間設有依次相連的多路選擇器和放大濾波電路。8. 根據權利要求7所述的基于巨壓阻結構的懸臂梁生化傳感器，其特征在于:所述放大 濾波電路包括由電阻Rl、R2、R3、R4與差分放大器AD8216構成的第一級放大電路，由電阻R5 和電容C1、電阻R7和電容C2構成的二階RC低通濾波器，由電阻R6、電阻R8、電容C5與差分放 大器AD8216構成的第二級放大電路，由精密運放器0PA177、電阻R9、電阻R10、電容C3和電容 C4構成的二階有源低通濾波電路。
【文檔編號】G01N33/50GK205607997SQ201620425997
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】張加宏, 沈雷, 李敏, 冒曉莉
【申請人】南京信息工程大學