包埋的压电电阻微型悬臂传感器的制作方法

专利名称：包埋的压电电阻微型悬臂传感器的制作方法
技术领域：
本发明领域本发明总体上涉及用于检测化学或生物学分析物的微型传感器。更具体地讲，本发明涉及用于检测化学和/或生物学分析物存在的包埋的、可偏转的微型悬臂传感器。
本发明背景目前感兴趣的是粗糙的、廉价的、可靠的和小型的化学微型传感器的制造，它的输出能够以诸如DC导电性的可测量的电信号形式表示。本研究和开发的目的是，制造能够检测和鉴定化学或生物学分析物本身或存在于复杂混合物中的分析物的装置。理想的是，所述传感器应当能够在液体或蒸汽环境中发挥作用。
在这方面，受到关注的系统包括碳黑有机聚合物复合物，它是通过旋涂或滴涂沉积到交叉阵列上的。在所述活性传感器材料中掺入碳黑的唯一目的是，通过所述非导电性的活性聚合材料获得可测定的DC导电性。所述分析物材料的导入导致了聚合物的膨胀，和所述聚合物复合物薄膜的电阻变化。为了从一组可能的物质中鉴定特定的蒸汽，并且，为了确定所述蒸汽的浓度或对多成分系统进行类似的测量，需要制造传感部件阵列，模式识别技术或传感器阵列输出的主要成分分析，可用于分析物鉴定和定量。
有多种与使用碳黑有机聚合物复合物相关的缺陷。首先，由于复合物结构的不可控制的波动，难于可靠地再现特定化学电阻部件的性能。其次，旋涂或滴涂碳黑聚合物复合物本身是亚稳态性质的，并且会随着时间推移而改变或降解。第三，亚稳态的复合物系统不能可靠地与基质表面连接。第四，所述亚稳态的传感器部件反复接触分析物蒸汽，可能导致对性能特征产生误解的偏差和/或改变。第五，在所述复合物材料中的碳在接触分析物之后，可能缓慢地释放分析物材料，并因此具有慢的恢复时间。第六，交叉阵列通常包括沿界面区域的两个部分-玻璃基质，金属薄膜或导线。这种复杂的结构可能导致黏结问题。另外，碳黑不能用于生物学检测，因为基于生物学分子的，并且与基质结合的传感器不能有效结合到诸如碳黑的材料中。
用于检测分析物的另一种方法，包括使用振动微型悬臂结构。采用这种技术，利用外部电路驱动微型悬臂以它的共振频率之一振动。所述微型悬臂本身涂有活性传感材料。分析物分子吸附在所述振动悬臂上，改变了所述振动的频率或强度，并且通过所述电路检测这种改变。
不过，存在与使用振动或震荡微型悬臂相关的若干种缺陷。在使用期间，涂在所述微型悬臂上的传感器材料很容易脱落。基于这种技术的传感器需要大量的电路，用于驱动所述微型悬臂振动，并且检测在接触分析物时微型悬臂频率和/或强度的改变。另外，制造包括很多紧密包装的振动悬臂的阵列是极其困难的，因为悬臂振动频率的差异和所述悬臂彼此之间靠的很近。现有悬臂的另一种限制是它们的结构导致了在组装和/或使用期间会产生较大的断裂可能性的过度脆弱的装置。最后，所述振动或摆动微型悬臂传感装置，在很大程度上受到外部振动或运动的影响，使得生产真正的便携式装置变得困难。
为了克服所述振动微型悬臂传感器的机械缺陷，开发了一种新型微型传感器，它采用了微型悬臂和在所述微型悬臂下面形成的并且与所述微型悬臂接触的传感元件。在这种类型的传感器中，选择所述传感材料，以便在存在理想的分析物材料的情况下，所述传感元件会发生包括垂直方向在内的体积膨胀或收缩。这种体积变化导致了所述最初的静止微型悬臂向上或向下的偏转。所述微型悬臂不需要被驱动振动，因此，不需要相关的大量电路。不过，所述传感器仍然需要所述传感材料和微型悬臂之间的精密的机械连接，这会导致崩溃，如在粗糙环境下发生顶端脱出。
因此，需要改进了的微型传感器，这种传感器在工作时不依赖于灵敏的电子或机械连接。
本发明背景本发明提供了利用微型悬臂的可偏转的臂测定生物学和/或化学分析物的存在和数量的方法和装置，所述微型悬臂至少部分包埋于在表面上形成的传感材料中。选择响应需要检测的分析物的存在而发生体积膨胀或收缩的传感材料。具有沿传感材料的垂直方向的分量的体积变化导致所述臂的包埋的部分垂直运动，并且对所述臂施加可测量的张力。所述微型悬臂包括至少一种可检测的物理特性，在对所述臂施加应力时，这种物理特性会发生改变。测定这种改变，以便确定感兴趣的分析物的存在和数量。
附图的简要说明通过结合附图阅读下面的详细说明，能够最好地理解本发明。应当强调的是，按照一般惯例，附图的各个部分都不是成比例的。相反，为了清楚起见，对各个部分的尺寸随意进行了放大或缩小。在附图中包括以下视图

图1是本发明的包埋的微型悬臂传感器的典型实施方案的透视图；图2a和2b是本发明的包埋的微型悬臂传感器的典型实施方案操作的透视图；图3是本发明包埋的微型悬臂阵列的典型实施方案的透视图；图4是本发明包埋的微型悬臂传感器的典型实施方案的响应特征的曲线图；图5是本发明包埋的微型悬臂传感器的典型实施方案的响应特征的曲线图；和图6是本发明包埋的微型悬臂传感器的典型实施方案的响应特征的曲线图。
本发明的详细说明本发明提供了用于检测气体或液体介质中分析物的存在和数量的方法和装置，包括将所述介质导入在表面上形成的传感材料中。微型悬臂至少部分包埋在所述传感元件中。在存在要检测的分析物的条件下，所述传感材料会发生包括沿垂直方向的体积膨胀或收缩。所述膨胀或收缩导致所述臂的包埋的部分垂直运动，并且对所述臂施加可检测的张力。
所述传感材料可以是诸如聚合物的化学传感器材料，或诸如生物分子，生物膜的生物学传感器材料，或所述材料的复合物。所述传感材料可以形成于所述可偏转臂的一部分上的离散的部分，如在所述悬臂的顶端，或作为所述传感元件的连续的涂层在所述表面上形成，以便所述可偏转的臂的一部分被包埋在里面。
所述微型悬臂本身是在独立于包括所述传感材料的表面的基质上形成的。可以利用常规半导体加工技术生产所述包埋的微型悬臂。可以使用所述微型悬臂的各种结构和取向。所述微型悬臂包括延伸超过所述微型悬臂基质边缘、并且允许所述基质和含有所述传感材料的表面彼此接近定位的突出部分，以便所述包埋的微型悬臂的所述可偏转的臂能够至少部分被包埋在所述传感材料中。可以利用显微操纵器放置和排列所述部件。
所述微型悬臂的可偏转的臂优选是用耐受分析物和被导入所述装置的、并且含有所述目标分析物的气体和液体介质的侵蚀的半导体材料制成。所述可偏转的臂可以在气体和液体环境中使用。所述微型悬臂的可偏转的臂包括至少一种可检测的物理特性，这种特性在通过所述包埋部分的偏转而在所述臂上产生应力时发生改变，所述臂的偏转是响应周围的传感材料的体积变化产生的。
本发明还提供了诸如各种电路的检测装置，这些装置能够检测所述可偏转的臂的可检测的物理特性的变化。优选在导入可能包含要检测的分析物的介质之前和之后测定所述可检测的物体特征。导入所述介质，使它与所述传感材料紧密接触。
下面参见附图，图1表示包埋的微型悬臂的典型实施方案。一般，所述微型悬臂2包括在基质8上形成的可偏转的臂4和底座6。基质8可以是常规的半导体基质，如硅，砷化镓，或其他被选择的可偏转的并且具有弹性的合适材料。所述包括可偏转的臂4的微型悬臂2可以利用常规半导体加工技术生产，并且可偏转的臂4的总体可优选用氮化硅，硅，或其他合适材料制成。可偏转的臂4的一端是与基质8一体化的。在所述典型实施方案中，可偏转的臂4的一端——锚定部分10通过底座6固定结合在基质8上，而可偏转的臂4的另一端——突出部分12，可以沿垂直方向自由运动。
包括可偏转的臂4的微型悬臂2的尺寸可以根据各种环境而改变。在一种典型实施方案中，所述可偏转的臂4的长度可以为100μm-200μm，高度为10μm-50μm，宽度可以为25μm-75μm，不过，还可以使用其他尺寸。另外，应当指出的是，在所示出的静止状态下的可偏转的臂4的大体上水平的结构仅仅是一种典范，并且，在它的静止状态下，可以将可偏转的臂4制造成相对所述水平方向向下倾斜。在这种情况下，可偏转的臂4的轴线可以分别与基质8的顶部和底部形成锐角。
所述可偏转的臂4和所述微型悬臂2优选是在基质8上形成的，以便包括在形成时位于基质8上面的突出部分12。在形成所述微型悬臂6之后，切割或分割基质8，以便产生边缘14，所述突出部分12超过该边缘。应当理解的是，基质8的边缘14和底座6的垂直壁16并不局限于像所示出的典型实施方案那样共平面，关键因素是，所述可偏转的臂4包括延伸通过基质8的边缘14的突出部分12，以便使得所述可偏转的臂4包埋在其他基质表面20上形成的传感元件18内。
图1表示可偏转的臂4的典型实施方案，其中，所述臂4的突出部分12至少部分包埋在其他基质20的表面上形成的传感材料18中。所述其他基质表面20可以是陶瓷或半导体基质，不过，在其他典型实施方案中，可以使用其他材料。由于所述可偏转的臂4的突出部分12延伸超过基质8的边缘14，所述部件可以是这样定位的，以便所述可偏转的臂4的突出部分12至少部分包埋在传感材料18内，正如图中所示出的。在所示出的实施方案中，所述可偏转的臂4的突出部分12的大约1/3被包埋在传感材料18内。不过，这仅仅是一种代表性的例子，所述可偏转的臂和所述可偏转的臂包埋在传感材料内的部分可以采用其他形式。
所述可偏转的臂4的制造材料应当选择，以便所述可偏转的臂响应传感材料18沿垂直方向的体积变化而弯曲，即使所述可偏转的臂4淹没在液体介质中，如可以导入所述传感材料18进行分析。例如，所述悬臂可以用光电阻材料制成，如利用金或其他材料作为电阻元件的″SU-8″。有关所述材料的讨论披露于Thaysen等的文献中(http//www.mic.dtu.dk/research/mems/publications/Papers/thaysen％ 20mems％ 202002.pdf)，该文献的内容被收作本文参考。
所述可偏转的臂4还包括至少一种可检测的物理特性，在通过所述包埋的部分的偏转对所述臂施加应力时，该特性发生改变，如响应所述周围传感材料的垂直体积膨胀而发生的偏转，正如在随后的附图中所示出的。在所述可偏转的臂4的包埋的部分偏转时发生改变的可检测的物理特性的例子是电阻。为了提供在所述可偏转的臂4的包埋的部分偏转时发生改变的电阻，在所述可偏转的臂4内形成压电电阻部件22。根据其他典型实施方案，所述压电电阻部件可以设置在所述可偏转的臂的上表面或下表面。
根据典型实施方案，所述压电电阻部件22可以是诸如碳酸钡的薄膜，它是在所述微型悬臂制造期间在所述可偏转的臂4内整体成型的。在所述可偏转的臂4弯曲时，由于所述部件上的机械应力的改变，而使得所述压电电阻部件22的电阻改变。根据典型实施方案，所述微型悬臂的非应力电阻可以在2千欧姆的数量级上。因此，该典型的可检测的物理特性由于弯曲而改变。将检测装置用于测量这种电阻的变化。所述微型悬臂灵敏性和检测装置精确性是这样的仅仅是几十埃的弯曲，就会导致可测量的电阻变化。
根据一种典型实施方案，为了测量电阻变化，可以通过触点将导线连接在所述压电电阻部件上。在这样的实施方案中，每一个触点会延伸通过所述可偏转的臂的上表面，以便接触所述压电电阻部件。然后，可以将所述导线连接在能够测量压电电阻部件的电阻的常规电路上。
应当理解的是，作为压电电阻率的可检测的物理特性的电阻仅仅是示例性的。根据其他典型实施方案，在所述可偏转的臂弯曲时发生改变的各种其他物理特性，也可用于与能够测量这种变化的相关的检测装置组合。例如，所述可偏转的臂可以是这样设计的使它的光透射比或折射率根据偏转而改变。在需要将所述传感器整合到光子器件上时，这种设计是特别有利的。在优选实施方案中，所述检测装置是能够测量偏转程度。反过来，可以提供电路或其他装置，以便实现所述可检测的物理特性的变化的测量。在测量所述变化时，优选在弯曲之前和之后测量所述可检测的物理特性，并且比较测量结果，以便检测变化和变化程度。然后将它的变化与要检测的分析物的存在结合在一起，并且所述物理特性的变化程度优选与臂偏转的程度相应，反过来，后者优选与所述分析物的存在数量或浓度相应。根据其他典型实施方案，所述可偏转的臂可以包括一种以上能在所述臂偏转时发生改变的可检测的物理特性。
可以采用常规方法在表面20上形成传感材料18。对于所示出的典型实施方案来说，其中的传感材料18是作为不连续的材料片在表面20上形成的，并且部分覆盖所述可偏转的臂4的突出部分12，所述传感材料可以通过悬滴沉积形成，如通过使用微毛细管，将所述悬臂浸泡在材料溶液中，或使用喷墨印刷技术，直接在可偏转的臂的突出部分的顶部形成液滴。还可以使用用于沉积传感材料18的其他方法。传感材料沉积物可以是胶泥，片或液滴形状的。另外，所述表面20或所述可偏转的臂4的本身的一部分可以在沉积所述传感材料之前衍生化，以便促进黏结。
与可偏转的臂4的尺寸组合选择传感材料沉积物的尺寸。所述传感材料沉积物的侧面尺寸可以小到几个微米。对所述传感材料沉积物的横向尺寸和沿所述可偏转的臂的长度方向的长度进行选择，以便确保所述可偏转的臂的足够大的部分是被包埋的。根据另一种典型实施方案，所述传感材料可以在整个基质的整个表面上形成。在这种实施方案中，可以采用常规涂层方法或其他方法，不过，在使用微型悬臂阵列时，优选传感材料的不连续的沉积物。
所述传感材料可以是对化学或生物学材料敏感的。对于化学传感材料来说，可以使用单纯的聚合物或组合的聚合物的复合材料，以便检测液体或蒸汽相分析物。在典型实施方案中，在成型之后，聚合传感材料包括某种程度的橡胶状一致性。选择所述聚合化学传感材料，以便能在存在至少一种要检测的分析物的条件下发生体积膨胀或收缩。这是由于分析物吸附并且结合在传感材料上，通常通过分配进入所述聚合物体积，或通过吸附进入。典型的聚合化学传感器材料包括聚乙烯化合物，包括聚氯乙烯；聚偏二氯乙烯或聚偏二氟乙烯以及它们的共聚物；聚乙酸乙烯酯(PVA)和聚乙酸乙烯酯与聚甲基乙烯醚的共聚物；聚乙烯醇和它与乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物；聚苯乙烯，聚α甲基苯乙烯和相关的聚合物和共聚物；聚(4-乙烯基苯酚)，聚(苯乙烯-共-烯丙醇)，聚(甲基苯乙烯)。感兴趣的特定类型的乙烯聚合物是离子交换聚合物，包括例如，具有离子基团的聚苯乙烯树脂，所述离子基团包括磺酸酯，羧酸酯，氨基，铵，磷酸酯，乙酰丙酮化物，以及本领域所公知的其他离子交换和离子选择树脂，包括冠醚和相关的配体结合物。
聚烯烃和聚α烯烃，包括聚乙烯，聚丙烯，聚异丁烯，聚甲基戊烯，聚丁二烯，乙烯丙烯共聚物，乙烯α烯烃共聚物，环烯烃共聚物，例如，由Ticona公司以Topas为商标出售的材料。
弹性体包括苯乙烯共聚物(SBS，SIS，SBR)和热塑性烯烃弹性体(通常称之为TPO)，丁腈共聚物和包括聚氨基甲酸酯(TPU)和共聚多酯(COPE)的弹性体，以及聚醚聚酰胺树脂(PEBA)，例如由Atofina公司出售的Pebax树脂和硅橡胶和弹性体。
丙烯酸聚合物包括聚烷基(甲基)丙烯酸酯，如聚甲基(甲基)丙烯酸酯，聚丁基(甲基)丙烯酸酯，聚苯氧基乙基(异丁烯酸酯)，聚(甲基)丙烯酸，聚(甲基)丙烯酰胺，聚烷基(甲基丙烯酰胺)以及一般被称为丙烯酸树脂的更宽范围的聚合物。
聚醚包括聚环氧甲烷，聚环氧乙烷，聚环氧丙烷，环氧乙烷和环氧丙烷共聚物，聚四氢呋喃，和相关的聚硫醚，以及聚苯醚及其共聚物。
聚酰胺包括尼龙6，尼龙66，尼龙666，尼龙11，尼龙12，以及各种脂族尼龙共聚物和非晶尼龙，例如，包括由EMS公司出售的以Grilamide为商品名的材料，和含有脂族和芳香成分的类似材料。
聚碳酸酯，聚砜，聚脲，聚氨基甲酸酯，聚酯，如PET和PETG，以及天然衍生的聚合物，如纤维素制品，以及改性的纤维素，包括甲基纤维素，乙基纤维素，葡聚糖，和淀粉基聚合物。
一类特别优选的潜在的聚合物包括聚(乙酸乙烯酯)(PVA)，聚(异丁烯)(PIB)，聚(乙烯基乙酸乙烯酯)(PEVA)，聚(4-乙烯基苯酚)，聚(苯乙烯-共-烯丙醇)，聚(甲基苯乙烯)，聚(N-乙烯吡咯烷酮)，聚(苯乙烯)，聚(砜)，聚(甲基丙烯酸甲酯)，和聚(环氧乙烷)(PEO)。
根据另一种典型实施方案，所述聚合化学传感材料可以是包括一种以上上述或其他典型化合物的复合材料。例如，苯乙烯和聚甲基异丁烯酸酯的混合物，或通过将PEO的颗粒分散在聚二甲基硅氧烷中制备的“复合”材料。
还可以使用其他传感材料。在接触所述目标分析物时，所述化学传感器发生体积变化，包括沿垂直方向的变化，以便在所述分析物被所述传感材料吸附时，沿垂直方向对所述包埋的可偏转的臂施加应力。
所述传感材料还可以是诸如生物分子的生物学传感器，它能够在存在要检测的分析物的情况下发生构像变化。根据一种典型实施方案，所述传感材料可以是包埋在含有金颗粒的基质材料中的硫醇化的单链DNA(脱氧核糖核酸)。在这样的实施方案中，所述DNA单链的硫醇化的末端能与金很好地黏结。可以将这样的生物学传感器用于检测互补DNA链。DNA优选是以双链构型形式存在的。如果在导入传感元件中的介质中含有所述互补DNA链(分析物)的话，所述互补链能够紧密结合所述硫醇化的链，有效改变所述基质材料中的DNA层的厚度，或者，换句话说，在垂直方向产生体积增加或缩小。在DNA检测装置的另一种替代实施方案中，可以将具有氨基末端的DNA链用于95∶5w/w的丁基丙烯酸酯共聚马来酐制备的聚合物中，该聚合物的制备使用乙酸乙酯作为聚合溶剂，并且用二苄基过氧化物(0.05％)作为起始剂。在这样的实施方案中，在聚合之后，让所得到的聚合物与末端为胺的单链DNA反应，得到的传感材料在接触互补DNA链时会发生体积的增加。
根据生物学传感器的另一种典型实施方案，将对要检测的诸如特定病毒的目标分析物专一的一定体积的抗体包埋在聚合材料中。在存在所述分析物病毒的条件下，所述分析物被强烈吸附并随后结合在所述聚合物内的抗体上。通过这种方式使它的厚度增加，并且表现为沿垂直方向的体积变化。根据其他典型实施方案，可以采用能够响应要检测的分析物的存在发生物理学或形态学改变的生物学传感元件，包括复合材料，该材料由在它里面包含有生物学分子的宿主材料组成。在每一种场合下，所述传感材料能吸附分析物，并且沿垂直方向发生体积膨胀或收缩，使所述可偏转的臂的包埋的部分偏转，并且在与所述基质结合的所述可偏转的臂的部分上产生可测量的应力。根据另一种典型实施方案，可以选择所述生物学传感器，以便响应要检测的分析物的存在在垂直方向上发生体积收缩。
根据各种典型实施方案，除了垂直方向之外，传感材料还可以沿横向方向膨胀。在这样的实施方案中，传感材料的横向膨胀还可能导致所述材料的垂直膨胀。所述横向膨胀的尺寸取决于分析物/选择的传感材料，以及安置所述传感材料的基质的结构。
尽管图1中的示意图示出了所述包埋的微型悬臂的典型实施方案，所述包埋的微型悬臂的其他典型的实施方案也属于本申请的范围。
例如，尽管在图1所示实施方案中所述可偏转的臂4平行于基质表面20，但是，应当理解的是，所述臂在它的静止状态下还可以是向下倾斜的。换句话说，所述可偏转的臂4在它的静止状态下与水平方向所形成的角可以是锐角。与其他典型实施方案类似，所述可偏转的臂具有一个与所述基质结合的一端，和至少部分包埋在所述传感材料中的另一端。
在如图2a和2b所示的典型的操作中，所述微型悬臂传感器31上的所述可偏转的臂30是刚性的，并且位置是固定的，并且在静止状态下至少部分包埋在所述传感材料32中，如图2a所示。然后，将要分析目标分析物36的介质34导入结构38，以便所述介质与传感材料32密切接触。如果在介质34中存在分析物36，传感材料32就会发生沿垂直方向的体积膨胀，导致所述可偏转的臂30的包埋的部分向上或向下位移，如图2b所示。位移的程度随着传感材料沿垂直方向的体积变化而改变，并且优选还随着检测的分析物的浓度或数量而改变。
应当指出的是，所述可偏转的臂4优选是弹性部件，它在发生偏转之后可以再次利用，以便检测分析物。如图2b所示，在用于检测之后，在这样的实施方案中的所述弹性可偏转的臂4恢复图2a所示的静止状态。
下面参见图2a，所示出的所述微型悬臂的所述可偏转的臂30被设计成在静止状态下大体上是水平的。典型的位移状态(在图2b中通过虚线表示)表示所述可偏转的臂30的包埋的部分向上弯曲或位移。所述可偏转的臂30的包埋的部分的垂直位移或偏转的程度，自然地与沿垂直方向的体积膨胀量成正比。反过来，根据各种典型实施方案，所述传感元件沿垂直方向的膨胀程度或体积膨胀可能与达到饱和水平的要检测的分析物的浓度成正比。存在其他典型实施方案，可能不是这种情况。另外，根据各种典型实施方案，可检测的物理特性，如压电电阻部件的电阻，可能根据弯曲程度线性改变。在其他典型实施方案中，可能不是这种情况。可以采用各种常规校正技术，校正偏转程度和可检测的物理特性的变化与存在的分析物的数量或浓度的相关程度的相关性。
如上文所述，所使用的传感材料可以对一种分析物或多种分析物敏感。另外，可以利用复合传感材料检测任何数量的分析物，正如通过一个包埋的微型悬臂的偏转所指示的。因此，本发明的另一方面提供了各自具有相关的传感元件的微型悬臂阵列。这样，可以将多个专用的包埋的微型悬臂用于检测特殊的和独特的分析物。在图3中示出了一种典型阵列。
下面参见图3，示出了具有九个包埋的微型悬臂40的阵列。尽管在图3所示典型实施方案中示出了在公用基质上形成的具有九个包埋的微型悬臂的线性阵列，但应当理解的是，根据各种其他典型实施方案，可以包括各种数量的包埋的微型悬臂，并且以不同的结构方式排列。所述包埋的微型悬臂40是结合前面的附图示出和说明的。在传感材料基质46的表面44上形成了传感材料42的不连续的沉积物。形成了传感材料沉积物的阵列，以便与设置在所述微型悬臂基质48上的微型悬臂40上的可偏转的臂的互补的阵列相应。当所述微型悬臂基质48和传感材料基质46彼此之间是以优选的位置定位时，每一个可偏转的臂被包埋在传感材料42的不连续的沉积物中。每一个微型悬臂还与检测装置结合，如在所述包埋的部分随着所述传感材料沉积物沿垂直方向的体积改变而弯曲时，可测量所述可偏转的臂的至少一种物理特性的变化的电路(未示出)。
所述每一个不连续的传感材料沉积物可以由典型的化学或生物学传感器构成，如上文所述。在所述优选实施方案中，每一个不连续的传感材料沉积物可以由不同的材料构成。这样，每一个专门的传感材料沉积物，每一个传感器，可以制造成对不同的分析物具有不同的反应水平，并且响应所述分析物的存在而发生体积改变。例如，PVA对乙酸乙酯反应强烈，而对庚烷的反应较弱，而聚1，2丁二烯对庚烷反应强烈，而对乙酸乙酯反应较弱。这样，就可以将可能含有多种要检测的分析物的一种介质导入所述结构，并且可以通过包埋的微型悬臂，独立地确定要检测的各种分析物的存在和数量(或缺乏)，其中，每一个传感器对不同的分析物具有不同的反应水平。可以将一系列传感器的输出结果的主要分量分析用于分析物的鉴定和定量。这样，可以同时分析介质中多种分析物的存在。
对于单一的包埋的微型悬臂来说，所述包埋的微型悬臂阵列可以进行校正，以便使由于弯曲所导致的可检测的物理特性的可检测的改变与要检测的分析物的数量或浓度相关。在不存在要检测的分析物的情况下，所述包埋的微型悬臂不能偏转，因此，在导入所述介质之前和之后进行的测量大体上相同。
根据另一种典型实施方案，其中使用了微型悬臂阵列，所述传感材料基质可以用一种连续传感材料的涂层进行涂敷，并且可以将多个微型悬臂包埋在所述传感材料内，以便提供多个读数，并且对要检测的分析物进行更精确的测定。
在下面的图4-6中提供了用本发明的所述包埋的微型悬臂的典型实施方案获得的图解读数。在所述典型的包埋的微型悬臂上，将液体形式的传感材料直接沉积在微型悬臂的可偏转的臂的突出部分的顶端周围。在本实施方案中，可偏转的臂长度的大约1/3包埋在所述传感材料沉积物内。
为了制备所述检测器，首先利用10∶1的聚合物粉末与溶剂的比例制备传感材料制剂，然后以10∶1的比例将分析物敏感掺杂剂添加到该液体聚合物混合物中，以便形成液体传感材料。然后将所述液体传感材料沉积在所述微型悬臂的可偏转的臂的顶端周围，并且让它干燥24小时。
图4表示由包埋的微型悬臂生物传感器获得的曲线图，该传感器被设计成用于检测样品中牛痘病毒的存在。在该典型实施方案中，所述可偏转的臂被包埋在传感材料中，所述传感材料包括结合在PEO基质中的多克隆牛痘抗体。在PEO聚合物中添加的抗体的量大约为50％。然后，用相同的方式制造第二个包埋的微型悬臂，所不同的是所述传感材料是纯的PEO聚合物，其中没有掺入多克隆牛痘抗体。然后进行了让所述传感器接触水蒸汽和水蒸汽加病毒的气溶胶的一系列实验，并且获得了结果。在图4的曲线上示出了PEO和多克隆牛痘抗体的传感器对牛痘病毒气溶胶的反应减去相同的传感器对水气溶胶的反应进行的作图。该方法有效扣除了大部分水蒸汽反应，仅留下了所述传感器对气溶胶中分析物病毒的反应。在该曲线上，所述接触的开始时间为(t＝100秒)，而终止时间为(t＝400秒)。在所述气溶胶接触结束之后，让所述传感器马上接触干燥的氮气气流。从图4中可以看出，在接触氮气时最大峰高度有某种程度的减弱，不过，将毒粒永久性掺入所述传感材料的组合基质，防止了所述传感器完全恢复到它的原始阻抗。
图5表示用包埋的微型悬臂化学传感器获得的曲线，该传感器是为了检测样品中一氧化碳(CO)的存在而设计的。在该典型实施方案中，将所述可偏转的臂包埋在传感材料中，该材料包括结合在PEO基质中的乙酸镍。在图5所示曲线中，对PEO+乙酸镍传感器对接触CO 20秒时间进行了作图。在该曲线图上，接触的开始时间为(t＝250秒)，结束时间为(t＝270秒)。如图所示，所述传感器反应是及时的，并且在CO接触结束之后，所述传感器缓慢恢复到它的原有阻抗。
图6表示用包埋的微型悬臂化学传感器获得的曲线图，该传感器是为了检测样品中多种挥发性有机化合物的存在而设计的。在该典型实施方案中，所述可偏转的臂被包埋在传感材料中，该传感材料包括结合在PEO基质中的高氯酸锂掺杂剂。在图6所示曲线图上，对PEO加高氯酸锂传感器对接触己烷，乙醇，丙酮，甲苯，和水蒸汽之一的反应进行了作图。在本实施方案中，所有气体都被设定为相对干燥氮气为50％的饱和度。在检测之前，对所述传感器进行4小时的干燥氮气气流处理，并且表示由于水分子的减少而导致的所有变化的在该起始阶段之后的传感器输出结果降低了大约97％。在该分析物测量曲线上，对五轮15秒的接触时间，随后是185秒的恢复时间进行了作图。在恢复期内，只让干燥的氮气通过所述传感器。如图所示，所述传感器对所有五种分析物的反应都是及时的，反应等级从最小到最大的顺序为己烷，乙醇，丙酮，甲苯，然后是水蒸汽。对所有五条曲线来说，在最初接触分析物之后，所述传感器缓慢恢复到它的原始阻抗。
由于所述大的反应，在优选实施方案中，用于水蒸汽的PEO传感器表现的水蒸汽信号要与其他分析物的信号分离。这种分离可以通过多种常规技术实现。在一种实施方案中，可以将模式识别技术用于每一种分析物，将已知的模式保存在储存器中，以便与各种湿度水平进行比较。另外，可以将对水蒸汽少有或没有反应的聚合物，如PIB用于消除或容纳任何大量的水蒸汽污染剂。
在图6中示出的PEO传感器对特定分析物的测量的大部分行为，可以用聚合物和分析物蒸汽的溶解度参数形式解释。PEO的溶解度参数为22.7Mpa1/2，在下面的表1中示出了用于这一系列实验的分析物的溶解度参数表。
表1溶解度参数
一般，为了将有机分子分配到有机宿主中，我们期望在与所述宿主溶解度参数最严密的配合的时候，能发生最大限度的分配。除了水蒸汽之外，在现有的实验中采用了这种方式，所不同的是甲苯除外。不过，由于传感器反应是以聚合物膨胀形式测量的，所述传感器信号将取决于分析物分子与所述聚合物基质或掺杂剂的化学结合或活性。另外，体积膨胀可能取决于所容纳的分析物分子的数量。因此，一旦进行校正测量，就可以获得有关特定样品中分析物的非常灵敏的定性和定量信息。
比较实施例1尽管上面的实施例提供了本发明传感器灵敏度的实施方案，本发明的传感器还可以设计成与非包埋的微型悬臂传感器相比是粗糙的。作为比较，在一种典型实施方案中，通过在乙酸乙酯中对载玻片进行溶剂浸泡包衣，在玻璃载玻片上沉积厚度大约为10微米的聚乙酸乙烯酯均聚物——MW 90,000(Polysciences)薄膜。然后让所述包衣的载玻片风干8小时。让压电电阻微型悬臂(Veeco)与所述薄膜接触，并且使用环氧黏结剂和锥形玻璃垫片与所述玻璃载玻片结合，使所述悬臂相对所述聚合物适当地定位。所述悬臂结构的电阻大约为2,142欧姆，然后将所属悬臂传感器加热到50℃保持1小时，并且冷却到室温。然后测定所述悬臂的电阻为2,124欧姆，并且在SEM中检查发现，所述悬臂不再与所述聚合物接触，可能是因为在加热时除去了额外的溶剂。然后，在25℃下让所述传感器接触100PPM的乙酸丁酯，并且监测电阻。所述传感器表现出3分钟的延迟，随后是电阻的增加。所述延迟被认为是由于使所述聚合物膨胀到足以接触所述悬臂所花费的时间。应当指出的是，上述传感器不能对所述聚合物的收缩作出反应，因为它不是与所述聚合物机械结合的。
实施例1利用与比较实施例1所述相同的聚合物和悬臂类型制造包埋的传感器，所不同的是，用薄层聚合物包封所述悬臂，同样是通过在与大约10微米的聚合物薄膜黏结接触之后通过溶剂浸泡实现的。然后将该传感器升温到50℃，保持24小时时间，并且在检查时确定仍然是被覆盖的。在接触100PPM的乙酸丁酯蒸汽时，所述传感器在5秒钟内作出反应，表明了它是马上结合的。由于该传感器包埋在所述聚合物薄膜内，它还可以对由于冷却或化学相互作用导致的聚合物的收缩作出反应。
比较实施例2对按照比较实施例1制造的传感器进行简单的应力试验。在该试验中，将一片透明胶带小心放置在所述悬臂顶部，并且马上除去。所述悬臂断裂，并且所述传感器不能工作。
实施例2按实施例1所述方法对制造的传感器进行简单的应力试验。在该试验中，将一片透明胶带小心放置在悬臂顶部，并且马上除去。然后检查所述悬臂，发现它是完好的并且可以使用。
应当强调的是，在这一点上，本发明并不是要局限于上面所示出和所披露的典型实施方案。相反，本发明意在包括使用包埋的微型悬臂的方法和装置，所述悬臂具有可检测的物理特性，所述物理特性在所述微型悬臂的包埋的部分，通过周围的传感材料的作用而垂直位移时发生改变，在存在要检测的特性分析物的情况下，所述传感材料发生体积变化，以便使所述微型悬臂的包埋的部分偏转。
以上内容只是说明了本发明的原理。应当理解的是，本领域技术人员能够设计出各种结构，这些结构尽管在本文中没有明确说明或示出，但它们仍然体现了本发明的原理，并且被包括在本发明的构思和范围内。另外，本文所引用的所有例子和条件性语言主要是用于表达教学目的、并且帮助读者理解本发明原理以及由本发明推动技术发展所贡献的概念的，并且被理解成并不局限于所述专门引用的例子和条件。另外，引用本发明原理，方面和实施方案以及具体例子的所有说明都被视为包括它们的结构和功能等同方案。另外，所述等同方案被认为包括目前已知的等同方案和在将来出现的等同方案，即，无论其结构如何，所开发的能够发挥相同作用的任何部件。因此，本发明的范围并非要局限于本文所示出和披露的典型实施方案。相反，本发明的范围和构思是通过所附权利要求书体现的。
权利要求
1.用于检验至少一种分析物的包埋的微型悬臂，包括可偏转的臂，它具有与基质固定连接的第一端，和至少部分包埋在传感材料沉积物内的第二端，所述臂能够响应所述传感材料沉积物的体积变化而偏转；和能够测量所述臂的偏转的检测装置。
2.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述臂包括至少一种能在所述臂偏转时发生改变的可测量的物理特性，并且，所述检测装置能够测定所述至少一种可测量的物理特性的改变。
3.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述检测装置包括便于实施对所述臂的偏转的测量的电路。
4.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述检测装置包括能够将所述臂的偏转转换成可测量的电信号的转换器。
5.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述臂包括在它里面和上面之一形成的压电电阻部件，并且，所述检测装置包括能够测量由于所述偏转导致的所述压电电阻部件的电阻改变的电路。
6.如权利要求5的包埋的微型悬臂，其中，所述压电电阻部件包括钛酸钡。
7.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物沉积在其他基质上。
8.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物是在一个表面上形成的，并且，所述可偏转的臂被包埋在所述传感材料沉积物内，并且在静止状态下大体上是平行于所述表面而沉积的。
9.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物包括用聚合物制成的化学传感器，并且，在它接触所述至少一种分析物时，会沿垂直方向发生体积变化。
10.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物包括用层状生物分子和复合材料之一制成的生物传感器，该传感器能够吸附所述至少一种分析物，并且由于所述吸附作用而沿垂直方向发生体积改变。
11.如权利要求10的包埋的微型悬臂，其中，所述生物传感器包括抗体和含有抗体的复合物之一。
12.如权利要求11的包埋的微型悬臂，其中，所述至少一种分析物包括吸附在所述抗体上的病毒。
13.如权利要求10的包埋的微型悬臂，其中，所述生物学传感器包括硫醇化的单链DNA，所述单链DNA是沉积在金基质上的，或包含在复合材料内。
14.如权利要求13的包埋的微型悬臂，其中，所述至少一种分析物包括双链DNA的互补DNA链。
15.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物包括选自下列一组的至少一种聚合物基质材料聚乙酸乙烯酯(PVA)，聚异丁烯(PIB)，聚乙烯乙酸乙烯酯(PEVA)，聚(4-乙烯基苯酚)，聚(苯乙烯-共-烯丙醇)，聚(甲基苯乙烯)，聚(N-乙烯吡咯烷酮)，聚(苯乙烯)，聚(砜)，聚(甲基丙烯酸甲酯)，和聚(环氧乙烷)。
16.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物包括选自下列一组的至少一种分析物敏感型掺杂剂乙酸镍和高氯酸锂。
17.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述传感材料沉积物包括在表面上形成的不连续的材料片。
18.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述可偏转的臂包括作为它的成分的氮化硅。
19.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述至少一种分析物包含在气体介质和液体介质之一中。
20.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述可偏转的臂的厚度为10μm-50μm，宽度为25μm-75μm，长度为100μm-200μm。
21.如权利要求1的包埋的微型悬臂，其中，所述检测装置能够测量所述臂的所述偏转的程度。
22.一种用于检测分析物的包埋的微型悬臂阵列，包括在表面上形成的多个不连续的传感材料沉积物；相应的多个可偏转的臂，每一个臂具有与基质固定结合的一端，以及至少部分包埋在相应的传感材料沉积物中的突出部分，每一个可偏转的臂能够响应所述相应的传感材料沉积物的体积变化而偏转；和能够测量每一个可偏转的臂的偏转的检测装置。
23.如权利要求22的包埋的微型悬臂阵列，其中，每一个传感材料沉积物都与其他的传感材料沉积物不同。
24.如权利要求23的包埋的微型悬臂阵列，其中，所述可偏转的臂各自具有一个与公用基质固定结合的一端，并且所述表面是在靠近所述公用基质的其他基质上形成的。
25.如权利要求22的包埋的微型悬臂阵列，其中，所述多个分离的传感元件的每一个传感材料沉积物根据不同分析物的存在发生体积变化。
26.如权利要求22的包埋的微型悬臂阵列，其中，每一个可偏转的臂包括设置在它里面和上面之一的压电电阻部件，并且，所述检测装置包括用于测定每一个压电电阻部件的电阻变化的电路，所述电阻的变化是由于在所述相应的传感材料沉积物中发生的体积变化导致的偏转的结果。
27.如权利要求22的包埋的微型悬臂阵列，其中，每一个所述可偏转的臂包括至少一种可测量的物理特性，该特性在所述臂偏转时发生改变，并且，所述检测装置能够测量每一个可偏转的臂的所述至少一种可测量的物理特性的改变。
28.如权利要求22的包埋的微型悬臂阵列，其中，每一个所述不连续的传感材料沉积物被设计成体积变化明显不同于至少一种分析物。
29.一种用于检测介质中的分析物的方法，包括提供可偏转的微型悬臂，它具有与基质固定结合的第一端，所述微型悬臂是在静止状态下安装的；形成靠近所述臂的传感材料沉积物，并且将所述臂的第二端至少部分包埋在所述传感材料沉积物内，所述传感材料沉积物能够响应所述分析物的存在而发生垂直膨胀和垂直收缩反应中的至少一种，所述垂直膨胀导致所述微型悬臂向上偏转，而所述垂直收缩导致所述微型悬臂向下旋转；将含有所述分析物的介质导入所述传感元件，所述介质是液体和蒸汽之一；和测量所述微型悬臂的所述旋转。
30.如权利要求29的方法，其中，所述微型悬臂包括至少一种可测量的物理特性，该特性在所述微型悬臂偏转时发生改变，并且，所述测量包括测量所述至少一种可测量的物理特性的改变。
31.如权利要求29的方法，其中，所述微型悬臂包括位于它里面或它上面的压电电阻部件，并且，所述测量包括测量所述压电电阻部件的电阻变化，所述电阻变化是所述向上偏转和所述向下偏转之一的结果。
32.如权利要求31的方法，其中，所述微型悬臂包括与所述压电电阻部件结合的两个导电引线，并且，所述测量包括测量通过所述两个导电引线的电阻。
33.如权利要求31的方法，其中，所述测量包括分别在所述导入步骤之前和之后测量所述压电电阻部件的电阻。
全文摘要
一种用于检测化学和/或生物学分析物的装置和方法，该装置包括至少部分包埋在传感元件(18)内的微型悬臂(2)的可偏转的臂(4)。将可能含有要检测的分析物的气体或液体介质导入所述传感元件(18)。在存在要检测的分析物的条件下，所述传感元件(18)会发生体积膨胀或收缩，通常是通过吸附所述分析物造成的。所述传感元件的体积的改变导致了所述可偏转的臂(4)偏转，所述可偏转的臂(4)包括至少一种在所述臂偏转时发生改变的可检测的物理特性。
文档编号G01N7/18GK1668247SQ03817099
公开日2005年9月14日 申请日期2003年6月3日 优先权日2002年6月3日
发明者T·L·波特, C·麦康博尔, M·伊斯特曼 申请人:北亚利桑那大学董事会