浅析微悬臂梁的应用

唐荣喜

摘 要：微悬臂梁结构因具有低成本、小体积、高性能等特点而被广泛应用于传感器的制作中，同时也成为当下传感器研究的热点。主要介绍微悬臂梁的结构、工作原理和它在传感器中的应用。

关键词：微悬臂梁；传感器；谐振频率；换能技术

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）07-0035-02

微悬臂梁是一种采用体硅加工技术和表面加工技术制备而成的微结构。微悬臂梁是指长度在100～1000 ?m，宽度在50～300 ?m，厚度在1～10 ?m，一端固定，另一端悬空的梁体。梁体的材料可以为单晶硅、多晶硅、SiO2，Al，Au，Pt等。悬臂梁结构广泛应用在传感器中，有着成本低、体积小、性能高的优势，是精密传感器发展的主流。

1 微悬臂梁的结构

微悬臂梁是指一端固支的梁体，因此具有多种结构。例如：①三角形结构。三角形结构一般情况下用于原子力显微镜，（缩写为AFM），在它的顶端有一个三角锥。②V形三角形结构。用于原子力显微镜AFM探测头的微悬臂梁则是采用V形的三角形结构，AFM通过反馈调节微悬臂梁和样品表面的距离来维持悬臂梁顶端上的三角锥针尖和样品表面原子间存在的微弱排斥力（10-8～10-6N）恒定，得到梁移动的轨迹后转换成该样品的形貌图。为了得到高精度的形貌图，在测量中希望微悬臂梁只有纵向的位移，没有横向的位移，因此将微悬臂梁做成V形三角结构可以减小横向的位移，将V形梁体的中间挖空并使用特殊工艺降低V形梁根部的杨氏模量以增加纵向的灵敏度。③U形结构的微悬臂梁。一般用于制作加速度计。④音叉形状的微悬臂梁。主要用于的领域在于对角速度的检测。⑤桥式结构。一般用于对压力的测量。

2 微悬臂梁的工作原理

在与其谐振频率相同的外激励作用下发生谐振的现象（压电微悬臂的机械谐振频率是由其形状、尺寸、材料等决定的），当测量作用于该微悬臂梁时，该微悬臂梁的振动状态、振幅和谐振频率，都会发生相应的改变， 改变的量与被测量的量之前存在一定对应关系。这样，通过其振动变化的情况就能得到被测量的量。

微悬臂梁的动态范围较大，谐振频率数十赫兹到数兆赫兹，同时具有高分辨率，例如原子力显微镜最小可以检测到10～12 N的微力。

随着当今社会对传感器灵敏度、精度的要求越来越高，微悬臂梁这种高灵敏度的换能技术显示出了很大的优越性。因此，微悬臂梁作为一种高灵敏度的生物传感器换能元件，有很大的发展前景。

自谐振式微梁技术发展以来，主要用作微机械电子滤波器、谐振式传感器、振荡器、其他需要谐振驱动和电学检测的器件。微悬臂梁结构可用于高灵敏度的生物传感器，例如原子力显微镜、表面探测器、生化传感器、气敏传感器、微流计和温度感测器等，还广泛应用于科研、临床、探测污染环境、生化探测和其他一些精密感测领域。它们可以在空气、真空或液体环境下工作，有很高的利用价值和发展前景。

以微悬臂梁为主的传感结构的研究，主要是沿着两个方向展开的：①把微悬臂梁制造的工艺技术和成熟的CMOS制造工艺技术相融合，用以实现芯片集成系统，缩写为SOC；②微悬臂梁中，应用高性能的敏感材料，用以优化其工作模式，进一步提高其灵敏度。压电材料谐振式的微悬臂梁传感器灵敏度相对更高。

3 微悬臂梁在测量工具中的应用

微悬臂梁早已被应用于传感器的制造中，并发展成了多种用途的测量工具。例如：①把一层金属轻轻溅射于微悬臂梁的一侧，采用双金属效应的方法来测量环境的温度，可以得到-263.15 ℃的温度变化，或者具体到纳克级微分析物的吸放热，可以据此制成微卡路里计。②在双层微梁的一侧，涂上如烷基硫醇类的高分子物质，能做成应力感测器，用于化学物质微应力的测量，测量得到的微悬臂梁的弯曲度会随着烷基硫醇链长度的增加而增大。③通过测得微悬臂梁的变化可以测出梁顶端的质量变化，精度可达皮克量级，而对气体的浓度测量，可达微克量级。据此原理，对微悬臂梁的阵列来进行化学修饰，可做成各种功能的传感器，如环境传感器等。④利用检测顶端修饰的特殊物质，通过微悬臂梁质量的变化，可以检测出对应的温度变化，形成热重量计。⑤利用微悬臂梁形变的特点，可用来测量电荷和磁场等。例如，把微悬臂梁放入装有电解质溶液的环境中，微悬臂梁则会发生不同程度的弯曲，通过测量弯曲度，则可得到该电解质溶液循环的伏安图；集成压电薄膜这种形式的微悬臂梁，是将其待检测信号转化为电信号，这种电信号就源于压电薄膜产生的弯曲形变，此项技术使用基础来源于电学检测，微悬臂梁其振动会导致压电薄膜产生相应的振动，而压电薄膜由于它的振动，则会产生微量的压电电流，而压电电流的大小则正是能够体现微悬臂梁振动的幅度，这样，利用电学手段检测微悬臂梁共振频率的生物传感系统。

4 微悬臂梁在生物传感器中的应用

在国外，用微悬臂梁作为生物传感器的研究已经有较多的成果；在国内，对微悬臂梁在传感器的应用也已经进行了深入的探索。微悬臂梁的形变，对于临床疾病的诊断也有较大的作用，可对常用的几种蛋白质来进行详细检测。例如：①免疫球蛋白，缩写为IgG，可用于检测是否怀孕。②牛血清白蛋白，缩写为BSA，是免疫测定中经常被用到的阻挡剂。③肌血球素。利用AFM可以制成新型生物免疫的传感器，其V型微悬臂梁的上面，淀积30 nm的金层，在它的上面生长出来一层硫醇类的抗体之后，可以用来对肌血球素的探测。这些生物传感器的理论基础都是特定酶免疫吸收化验，缩写为ELISA。也就是说，不同的酶可以吸收不同生物物质，而微悬臂梁则是对吸收的微量变化进行检测的载体。例如，采用PZT驱动制作成的谐振式传感器，把微悬臂梁上面抹上一层分子级的筛敏感材料后，就可以对MIN10微克数量级的氟里昂等气体进行探测。目前，利用微悬臂梁制作成的传感器，广泛应用于对丙酮和有机毒气的检测，并逐渐拓展到越来越受重视的生物领域。

5 结束语

目前，微悬臂梁传感器已经得到了广泛的应用，尤其是谐振式微梁，因结合了压电薄膜而具有更高的灵敏度，已经成为了目前传感器研究的热点。

参考文献

[1]匡登峰，刘庆刚，郭维廉，等.大气湿度对AFM针尖氧化加工金属Ti膜的影响[J].压电与声光，2004（03）.

〔编辑：王霞〕