生化检测用集成微机械悬臂梁谐振传感器技术

论文摘要

谐振式微机械悬臂梁生物传感器，由于具有超高质量检测分辨率，能够实现单细胞检测，获得了广泛的研究。针对生化检测的需求，为进一步提高质量检测分辨率，本论文通过优化激励微机械悬臂梁的高阶谐振模态来提高品质因数，改善质量检测分辨率。 因为室温气压下，在微米尺度的微机械悬臂梁的主要噪声机制是热机械噪声，所以品质因数对微机械悬臂梁的质量检测灵敏度起着决定性的作用。微机械悬臂梁在高阶谐振模态下具有更高的品质因数和灵敏度，而其等效质量不变，因此可以获得更高的质量检测分辨率。采用了与高阶谐振模态振形函数相匹配的优化驱动方式获得高品质因数的高阶弯曲谐振模态和扭转谐振模态，进一步改善了质量检测分辨率。 本论文解决了与生化检测兼容的硅微机械悬臂梁制作的关键单项工艺问题，制备了与生化检测相兼容的金属铝引线的钝化层；能够高质量地固化生物敏感材料的Au的<111>择优取向薄膜；在微机械悬臂梁表面固化生物敏感材料，并进行悬臂梁表面封闭，以抑制非特异性吸附的干扰。 采用AGC和PLL式闭环反馈电路和艾伦变量算法进行信号统计分析。相比于传统的一阶模态采用AGC反馈电路的二阶扭转模态微机械悬臂梁的质量检测分辨率达到了9飞克。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 生物传感器
• 1.2 微电子机械系统
• 1.2.1 MEMS的主要研究内容
• 1.2.2 MEMS的主要加工技术
• 1.2.3 MEMS技术的应用
• 1.3 谐振式微机械悬臂梁生物传感器
• 1.3.1 谐振式微机械悬臂梁的质量检测分辨率
• 1.3.2 谐振式微机械悬臂梁生物传感器的发展
• 1.3.3 谐振式微机械悬臂梁生物传感器中存在的问题
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 微机械悬臂梁的谐振模态
• 2.1 谐振式微机械悬臂梁
• 2.1.1 微机械悬臂梁的弯曲谐振模态
• 2.1.2 微机械悬臂梁的扭转谐振模态
• 2.1.3 谐振式微机械悬臂梁的质量检测灵敏度
• 2.1.4 微机械悬臂梁固有频率的影响因素
• 2.2 微机械悬臂梁中的噪声机制
• 2.2.1 理论模型
• 2.2.2 噪声机制对微机械悬臂梁谐振频率稳定性的影响
• 2.2.3 谐振式微机械悬臂梁的质量检测分辨率
• 2.3 微机械悬臂梁中的阻尼机制
• 2.4 高阶模态微机械悬臂梁的激励方式
• 2.5 高阶模态微机械悬臂梁的振动检测方式
• 2.5.1 单晶硅的压阻效应
• 2.5.2 微机械悬臂梁弯曲模态的压阻检测
• 2.5.3 微机械悬臂梁弯曲模态的压阻检测
• 2.6 结论
• 第三章 谐振式硅微机械压阻悬臂梁生物传感器制作工艺
• 3.1 微机械悬臂梁生物传感器工艺流程
• 3.1.1 顶层硅减薄
• 3.1.2 压阻的形成
• 3.1.3 互联和电磁激励线圈
• 3.1.4 金属A1引线表面钝化层
• 择优取向的Au薄膜'>3.1.5<111>择优取向的Au薄膜
• 3.1.6 悬臂梁结构的形成和释放
• 3.1.7 生物敏感材料固化和器件表面封闭
• 3.2 金属Al线的钝化层
• 3.3 自组装膜衬底制备
• 3.4 DRIE和结构释放
• 3.5 悬臂梁表面的封闭和生物素固化
• 3.6 结论
• 第四章 高阶弯曲谐振模态硅微机械悬臂梁生物传感器
• 4.1 高阶弯曲模态微机械悬臂梁的设计
• 4.1.1 弯曲模态的质量检测分辨率
• 4.1.2 弯曲模态的压阻检测
• 4.1.3 弯曲模态微机械悬臂梁的激励方式
• 4.1.3 微机械悬臂梁的尺寸优化
• 4.2 谐振悬臂梁的信号处理电路
• 4.2.1 开环检测电路
• 4.2.2 闭环检测电路
• 4.3 微机械悬臂梁谐振特性测试
• 4.3.1 开环测试
• 4.3.2 闭环测试
• 4.4 微机械悬臂梁生物物质敏感特性测试
• 4.5 结论
• 第五章 扭转谐振模态硅微机械悬臂梁生物传感器
• 5.1 扭转模态微机械悬臂梁的设计
• 5.1.1 扭转模态的谐振频率
• 5.1.2 扭转模态的质量检测灵敏度
• 5.1.3 扭转模态悬臂梁的多自由度模型
• 5.1.4 扭转模态的压阻检测
• 5.1.5 扭转模态微机械悬臂梁的激励方式
• 5.1.6 扭转模态微机械悬臂梁的优化
• 5.2 谐振悬臂梁的信号处理电路
• 5.2.1 开环检测电路
• 5.2.2 闭环检测电路
• 5.3 微机械悬臂梁谐振特性测试
• 5.3.1 开环测试
• 5.3.2 闭环测试
• 5.4 微机械悬臂梁生物物质敏感特性测试
• 5.5 结论
• 第六章 高阶谐振模态硅微机械悬臂梁激励方式的优化
• 6.1 高阶弯曲模态微机械悬臂梁的设计
• 6.2 品质因数测试结果和讨论
• 6.3 结论
• 第七章 总结
• 7.1 用于生化检测的谐振式微机械悬臂梁的基本性质
• 7.2 谐振式微机械悬臂梁生物传感器关键制作工艺
• 7.3 微机械悬臂梁的弯曲谐振模态和扭转谐振模态
• 7.4 谐振模态的激励和检测
• 7.5 微机械悬臂梁谐振电路
• 7.6 信号统计分析算法
• 7.7 今后的工作和展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢
• 个人简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明