微膜尺寸与吸附物对微膜生化传感器动态特性的影响

李 勇

(山东大学 机械工程学院，山东 济南250061)

0 引 言

微生物传感器是一种检测微生化物质的装置，具有高度的检测敏感性、操作简单、检测速度快等优点，广泛应用于化学、生物、物理等领域［1］。微悬臂梁传感器就是一个典型的应用，在空气中，微悬臂梁传感器检测灵敏度高，且具有很高的品质因数和检测时不需要标记［2］。但是在液态检测环境中，液态介质的阻尼作用使微悬臂梁传感器的品质因数显著降低［3］。最近研究表明，微膜作为检测平台在液态介质中具有更高的质量敏感性和分辨率［4］。微膜生化传感器的工作过程是将检测微生化介质的过程转变为可检测电信号的过程。微膜生化传感器的动态性能会受到微膜尺寸、吸附物质量的影响，研究这些因素对微膜生化传感器动态性能的影响规律是发展微膜生化传感器的基础。

本文利用流固耦合分析软件ADINA 对微膜生化传感器在液态介质中的动态特性进行了模拟研究，分析了微膜尺寸和吸附物的影响。

1 微膜生化传感器

1.1 微膜生化传感器结构

图1 为一种微膜生化传感器示意图，传感器由微膜、检测电路和腔体等结构组成［5］。含有待检测微生化介质的微流体从进口进入传感器，当特定的微生化介质吸附在微膜表面的敏感层时，微膜的固有频率会发生变化，通过检测频移来达到检测介质的目的。

1.2 有限元建模与网格划分

根据传感器的结构尺寸在ADINA 中建模，腔体简化为圆柱形结构，腔体内液体的流速十分缓慢，简化为静止的液体域，液体域边界为固壁面边界条件，微膜形状为圆形，采用固支边界条件，有限元模型如图2 所示。微膜选用的单元类型为四节点Shell 单元，并规定杨氏模量为6.1×1010Pa，密度为7.5×103kg/m3，泊松比为0.3。液体域半径为140 μm，深度为80 μm，液体密度为1000 kg/m3，采用势流体单元。最后对模型进行网格划分，分析类型为模态分析，采用Lanczos求解方法，ADINA 软件能够自动识别流固耦合面［6］。

图1 微膜生化传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of micro diaphragm biochemical sensor

图2 传感器有限元模型Fig 2 Finite element model of sensor

2 微膜尺寸的影响

图3 所示的是当微膜厚度为4 μm，微膜半径分别为55，60，65，70，75 μm 时，传感器第一阶固有频率随微膜半径变化曲线图。图4 所示的是当微膜半径为70 μm，微膜厚度分别为2，3，4，5，6 μm 时，传感器第一阶固有频率随微膜厚度变化曲线图。

从图3 可以看出:传感器固有频率随着微膜半径的增大而减小，随着半径的继续增大，频率的变化率减小，曲线变缓;从图4 可以看出:传感器固有频率随着厚度的增加而增大。

图3 微膜固有频率和微膜半径的关系Fig 3 Relationship between natural frequencies and radius of micro diaphragm

图4 微膜固有频率和微膜厚度的关系Fig 4 Relationship between natural frequencies and thickness of micro diaphragm

3 吸附物质量与位置的影响

利用ADINA 软件集中质量单元属性模拟吸附物质量，分别计算当吸附物质量m 为1×10－6，2×10－6，3×10－6g，吸附物离微膜中心距离r 为10，20，30，40，50 μm 时的传感器第一阶固有频率，得到的固有频率同吸附物质量和吸附位置的关系曲线如图5 所示。

从图5 可以看出:吸附物质量使固有频率减小，固有频率随着吸附位置离微膜中心距离的增大而增大，吸附位置在微膜中心时，固有频率最低。吸附位置在微膜边缘区域比在微膜中心区域对微膜的固有频率影响更大，表现在曲线斜率更大。在不同的吸附质量条件下，相同的位置变化量对频率的改变基本相同，不同的曲线的斜率基本相同。

图5 微膜固有频率和吸附物质量与位置的关系Fig 5 Relationship between natural frequencies of micro diaphragm with respect to mass and position of adsorbate

4 结 论

本文分析了薄膜结构尺寸与吸附物对微膜生化传感器动态特性的影响，从模拟结果可以看出:微膜的尺寸和吸附物质量及吸附位置对微膜生化传感器的固有频率影响显著，固有频率随着半径增大而减小，随厚度的增加而增大;液态介质中的吸附物质量使传感器固有频率减小，不同的吸附位置也使固有频率发生变化。

［1］ 谢佳胤，李捍东，王 平，等.微生物传感器的应用研究［J］.现代农业科技，2010(6):11－15.

［2］ Morris David R P，Fatisson Julien，Olsson Adam L J.et al.Realtime monitoring of airborne cat allergen using a QCM-based immunosensor［J］.Sensors and Actuators，2014，190:851－857.

［3］ Li Suiqiong，Li Zhimin，Chin Bryan B，et al.Development of biosensor based on micro-diaphragm［C］∥Smart Structures and Materials 2004:Smart Electronics，MEMS，BioMEMS，and Nanotechnology，Bellingham:SPIE，2004:306－313.

［4］ Zhang Xu，Xu Wencheng，Chae Junseok.Temperature effects on a high Q FBAR in liquid［J］.Sensors and Actuators，2011，166:264－268.

［5］ Wingqvist G，Bjurstrom J，Hellgren A C，et al.Immunosensor utilizing a shear mode thin film bulk acoustic sensor［J］.Sensors and Actuators，2007，127:248－252.

［6］ 马 野，袁志丹，曹金凤.ADINA 有限元经典实例分析［M］.北京:机械工业出版社，2011:68－69.