基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，该传感器的数据采集器采用具有硅铝异质结形成的巨压阻结构的悬臂梁结构，能够在相同应力条件下产生更大的电阻阻值变化，从根本上提高了生化传感器的灵敏度；采用两个相邻的共模信号补偿结构，能够保证该生化传感器的每个悬臂梁在复杂外界环境下的测量精度，降低了因个别悬臂梁失灵对测量结果产生的影响；另外，该传感器采用四线制测量方法以及信号的放大、滤波调理电路，可得到较为精准的信号，削弱噪声等外界因素对检测结果的影响，可以达到高精度、稳定测量的效果。
【专利说明】
基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，属于微纳机电系统传 感器技术领域。
【背景技术】
[0002] 从上世纪80年代以来随着MEMS(微机电系统)技术的快速发展，越来越多的MEMS器 件被广泛应用于工农业、航空航天、气象环境、国防军事等各个领域。而近些年来随着微探 针与微流计等器件的研制成功，数量众多的MEMS器件进入了化学分析、生物检测、医药筛选 和公共环境卫生监测等领域。然而，目前的生化传感器由于器件本身结构限制，无法实现实 时高精度、高灵敏度的生化检测。
[0003] 微型悬臂梁作为MEMS器件中一种极其重要的基本结构一直是人们研究的热点。基 于悬臂梁结构的传感器可以将待检测量，如质量、温度、应力等参数转化为悬臂梁的静态弯 曲量或者动态谐振频率变化量，从而实现对待测量快速、准确的测量。尽管如此，传统的压 阻结构悬臂梁传感器电阻应变系数小，随着传感器尺寸的变小，由于自身结构和工艺的限 制，如:大面积吸附引起悬臂梁弹性常数变化，产生频率偏移而导致测量误差;液体生化环 境中悬臂梁品质因子大幅降低，导致灵敏度降低等等，这类传感器已经不能满足现代高灵 敏度测试的要求。同时传统的生化传感器由于受到环境中温度、湿度、光照等因素的影响， 缺少信号补偿，使得测量精度产生较大偏差，无法满足用户在复杂外界环境条件下高精度、 高灵敏度的生化检测要求。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于巨压阻 结构的悬臂梁生化传感器，该生化传感器的悬臂梁采用硅铝异质结形成的巨压阻结构，其 压阻系数与应变系数均数量级地增加，极大地提升了传感器的灵敏度，可以有效地捕捉生 化病毒分子。
[0005] 为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感 器，包括数据采集器、四线制测量电路、AD7794模数转换器、MSP430F169单片机和LCD12864 液晶显示屏，所述数据采集器将采集到的数据通过四线制测量电路传输给AD7794模数转换 器，AD7794模数转换器转换后输出至MSP430F169单片机，由MSP430F169单片机发送至 IXD12864液晶显示屏，在IXD12864液晶显示屏上显示；
[0006] 所述数据采集器包括基底和依次固定在所述基底上的若干个悬臂梁，若干个所述 悬臂梁串联由同一个恒流源供电，所述相邻两个悬臂梁的固定端之间通过金属铝材质的连 接线相连;所述悬臂梁包括依次设置的检测区、金属铝段区、巨压阻结构区、掺杂硅段区，所 述检测区由金属铝段区的端部自组装后表面修饰高分子敏感材料或者生物活性分子材料 而成，位于悬梁臂的自由端，所述掺杂硅段区位于悬臂梁的固定端，所述巨压阻结构区为硅 铝异质结，所述悬臂梁的固定端上设有电位测量点。
[0007] 进一步，所述悬臂梁的两边均设有共模信号补偿结构，每个悬臂梁利用与之相邻 的两个共模信号补偿结构消除噪声，且相邻两个悬臂梁共用一个共模信号补偿结构。
[0008] 进一步，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁的尺寸和组成材料相同。
[0009] 进一步，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁串联由同一恒流源供电，所述共模 信号补偿结构与所述悬臂梁之间通过金属铝材质的连接线相连。
[0010] 进一步，所述金属铝段区的宽度为70-100μπι、长度为35-60μπι，所述掺杂硅段区的 宽度为70-100μηι、长度为6μηι。
[0011] 进一步，所述基底为SOI硅片。
[0012]进一步，所述四线制测量电路与所述AD7794模数转换器之间设有依次相连的多路 选择器和放大滤波电路。
[0013] 进一步，所述放大滤波电路包括由电阻1?1、1?2、1?3、1?4与差分放大器408216构成的 第一级放大电路，由电阻R5和电容C1、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器，由电阻 R6、电阻R8、电容C5与差分放大器AD8216构成的第二级放大电路，由精密运放0PA177、电阻 R9、电阻R10、电容C3和电容C4构成的二阶有源低通滤波电路。
[0014] 本实用新型所达到的有益技术效果:本实用新型提供一种基于巨压阻结构的悬臂 梁生化传感器，该传感器的数据采集器采用具有硅铝异质结形成的巨压阻结构的悬臂梁结 构，能够在相同应力条件下产生更大的电阻阻值变化，从根本上提高了生化传感器的灵敏 度;采用两个相邻共模信号补偿结构，能够保证该生化传感器的每个悬臂梁在复杂外界环 境下的测量精度，降低了因个别悬臂梁失灵对测量结果产生的影响；另外，该传感器采用四 线制测量方法以及信号的放大、滤波调理电路，可得到较为精准的信号，削弱噪声等外界因 素对检测结果的影响，可以达到高精度、稳定测量的效果。
【附图说明】
[0015] 图1本实用新型之数据采集器结构示意图；
[0016] 图2本实用新型之四线制测量电路图；
[0017] 图3本实用新型之放大滤波电路图；
[0018] 图4本实用新型之巨压阻结构的应变系数随掺杂硅段区长度变化曲线图；
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本 实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0020] 如图1-3所示，本实用新型提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，包括数 据采集器、四线制测量电路、AD7794模数转换器、MSP430F169单片机和LCD12864液晶显示 屏，所述数据采集器将采集到的数据通过四线制测量电路传输给AD7794模数转换器， AD7794模数转换器转换后输出至MSP430F169单片机，由MSP430F169单片机发送至LCD12864 液晶显示屏，在IXD12864液晶显示屏上显示；
[0021] 所述数据采集器包括基底1和依次固定在所述基底上的若干个悬臂梁2,分别为 Cl，C2……CN，基底1为SOI硅片，若干个所述悬臂梁2串联由同一个恒流源供电，恒流源在提 供恒定电流的同时，减少因电源不同造成的测量结果误差，所述相邻两个悬臂梁2的固定端 之间通过金属铝材质的连接线4相连;所述悬臂梁2包括依次设置的检测区21、金属铝段区 22、巨压阻结构区23、掺杂硅段区24,所述检测区21由金属铝段区22的端部自组装后表面修 饰高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成，位于悬梁臂2的自由端，所述掺杂硅段区24 位于悬臂梁2的固定端，所述巨压阻结构区23为硅铝异质结，所述悬臂梁2的固定端上设有 电位测量点。
[0022] 被测分子掉落在悬臂梁的检测区，形成重量压力后导致悬臂梁弯曲，悬臂梁弯曲 进一步导致其表面尤其是根部区域产生较大应力，该应力导致硅铝异质结的巨压阻效应凸 显，即该应力调整了硅铝异质结的势皇高度，使电子通过的数量发生巨大变化，从而使电阻 发生数量级巨变。相对于传统的悬臂梁传感器，采用由硅铝异质结形成的巨压阻结构的悬 臂梁生化传感器在相同应力条件下能够产生更为明显的电阻阻值变化，因而本专利从传感 结构上提高了生化传感器的灵敏度。
[0023] 若干个所述悬臂梁的两侧设有不可动的共模信号补偿结构3,分别为P1，P2…… PN，每个悬臂梁均可利用与之相邻的两个共模信号补偿结构消除噪声，且相邻两个悬臂梁 共用一个共模信号补偿结构3,采用共模信号补偿结构，使得本实用新型能够根据外界环境 的不同，提供温度、湿度等共模信号补偿。所述共模信号补偿结构3与所述悬臂梁2的尺寸和 组成材料相同。所述共模信号补偿结构3与所述悬臂梁2串联由同一恒流源供电，恒流源正 负极接入端分别为1+，1-，所述共模信号补偿结构3与所述悬臂梁2之间通过金属铝材质的连 接线4相连。
[0024] 每个悬臂梁2和共模信号补偿结构3均采用四线制测量电路进行电压测量，以消除 传统二线制测量中存在的寄生压降，提高测量结果的精确度，四线制测量电路的电位检测 点分别为％，仏，屯，巧，心， Γ?，仏，G，巧。每个悬臂 梁的测量结果，如C1的电压测量结果按照公另
>计算得 到，最终的测量结果为若干个悬臂梁测量结果的平均值，按照公式
-计 算得到。用户可根据实际情况选择悬臂梁的个数，即使当个别悬臂梁测量出现误差时，通过 多个悬臂梁阵列测量求平均值，也可以使得最终测量误差大幅减小。
[0025] 所述四线制测量电路与所述AD7794模数转换器之间设有依次相连的多路选择器 和放大滤波电路。所述放大滤波电路能有效的抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比和系 统的精度，具有较高的增益及较宽的增益调节范围，具体包括由电阻則、1?2、1?、1?4与差分放 大器AD8216构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容C1、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低 通滤波器，由电阻R6、电阻R8、电容C5与差分放大器AD8216构成的第二级放大电路，由精密 运放0PA177、电阻R9、电阻R10、电容C3和电容C4构成的二阶有源低通滤波电路。二阶低通滤 波器用来去除高频噪声，降低总噪声电压，检测有用信号。
[0026] 试验表明，悬臂梁的尺寸极大地影响了巨压阻结构的压阻与应变系数，因此，所述 金属铝段区的宽度为70-100μπι、长度为35-60μπι，所述掺杂硅段区的宽度为70-100μπι、长度 为6μπι。图4为巨压阻结构的应变系数随掺杂硅段区长度变化曲线图。
[0027] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改 进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:包括数据采集器、四线制测量电 路、AD7794模数转换器、MSP430F169单片机和LCD12864液晶显示屏，所述数据采集器将采集 到的数据通过四线制测量电路传输给AD7794模数转换器，AD7794模数转换器转换后输出至 MSP430F169单片机，由MSP430F169单片机发送至LCD12864液晶显示屏，在LCD12864液晶显 示屏上显示； 所述数据采集器包括基底和依次固定在所述基底上的若干个悬臂梁，若干个所述悬臂 梁串联由同一个恒流源供电，所述相邻两个悬臂梁的固定端之间通过金属铝材质的连接线 相连;所述悬臂梁包括依次设置的检测区、金属铝段区、巨压阻结构区、掺杂硅段区，所述检 测区由金属铝段区的端部自组装后表面修饰高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成， 位于悬梁臂的自由端，所述掺杂硅段区位于悬臂梁的固定端，所述巨压阻结构区为硅铝异 质结，所述悬臂梁的固定端上设有电位测量点。2. 根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述悬臂 梁的两侧均设有共模信号补偿结构，每个悬臂梁利用与之相邻的两个共模信号补偿结构消 除噪声，且相邻两个悬臂梁共用一个共模信号补偿结构。3. 根据权利要求2所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述共模 信号补偿结构与所述悬臂梁的尺寸和组成材料相同。4. 根据权利要求2所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述共模 信号补偿结构与所述悬臂梁串联由同一恒流源供电，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁 之间通过金属铝材质的连接线相连。5. 根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述金属 铝段区的宽度为70-100μπι、长度为35-60μπι，所述掺杂硅段区的宽度为70-100μπι、长度为6μ m〇6. 根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述基底 为SOI硅片。7. 根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述四线 制测量电路与所述AD7794模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路。8. 根据权利要求7所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于:所述放大 滤波电路包括由电阻Rl、R2、R3、R4与差分放大器AD8216构成的第一级放大电路，由电阻R5 和电容C1、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器，由电阻R6、电阻R8、电容C5与差分放 大器AD8216构成的第二级放大电路，由精密运放器0PA177、电阻R9、电阻R10、电容C3和电容 C4构成的二阶有源低通滤波电路。
【文档编号】G01N33/50GK205607997SQ201620425997
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】张加宏, 沈雷, 李敏, 冒晓莉
【申请人】南京信息工程大学