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电子技术应用 2023年 第49卷 第3期健康医疗微电子Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆谐振微悬臂梁传感器的工作原理及其在生化检测中的研究进展*田宽1，闫堉琦1，孙雨安1，廉中义1，陈滢2，许鹏程2（1.郑州轻工业大学 材料与化学工程学院，河南 郑州 450002；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术国家重点实验室，上海 200050）摘 要：谐振微悬臂梁是一种可以将质量变化转换为频率信号的微质量型传感器，因其分辨率高、灵敏度高、成本低、易于集成和小型化等优点而备受关注。谐振微悬臂梁现已被广泛应用于流量控制、生物医学痕量检测、气态和液态分子分析等领域。近年来，随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术的快速发展，针对谐振式微悬臂梁传感器的研究与应用越来越多，对近年来谐振式微悬臂梁传感器在环境检测、生物医学等领域的具体应用进行了综述，并对未来的发展方向做出了展望。关键词：谐振式传感器；微悬臂梁；微机电系统；谐振频率；环境监测；生物医学中图分类号：TP212 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223326中文引用格式：田宽，闫堉琦，孙雨安，等.谐振微悬臂梁传感器的工作原理及其在生化检测中的研究进展J.电子技术应用，2023，49(3)：11-20.英文引用格式：Tian Kuan，Yan Yuqi，Sun Yuan，et al.Principle of resonant micro-cantilever sensor and its research progress in biochemical detectionJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：11-20.Principle of resonant micro-cantilever sensor and its research progress in biochemical detectionTian Kuan1，Yan Yuqi1，Sun Yuan1，Lian Zhongyi1，Chen Ying2，Xu Pengcheng2(1.School of Materials and Chemical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China；2.State Key Lab of Transducer Technology，Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China)Abstract：Resonant microcantilever is a mass-type sensor that transforms mass change into frequency-shift signals.Due to the advantages of high mass resolution,high sensitivity,low cost,easy integration and miniaturization,resonant microcantilevers have received extensive attention from researchers.In recent years,with the rapid development of MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)technology,resonant micro-cantilever sensors have been widely used in mass and flow control,trace biomedical detection,gas or liquid molecular analysis and other broad application fields.Herein,the specific applications of resonant microcantilever sensors in environmental detection,biomedicine and other fields in recent years are reviewed,and the future development trends are prospected.Key words：resonant sensor；micro-cantilever；MEMS；resonant frequency；environmental monitoring；biomedical science0 引言传感器研究对于人类认识、理解自然、发展科学、促使人类社会进步等方面有着重要意义1。其中检测质量微小变化的传感器在很多领域都有着十分重要的作用，例如气敏传感器中对痕量气体分子的检测、生物医学中检测单个细胞的质量变化情况推断该部位健康情况等。而检测质量变化的手段，即换能器主要有谐振式微悬臂梁、FBAR 滤波器（Film Bulk Acoustic Resonator）、石英晶体天平 QCM（Quartz Crystal Microbalance）2，其对比如表 1 所示。*基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（2020YFB2008603）；国 家 自 然 科 学 基 金（61974155）11健康医疗微电子www.ChinaAET.comMicroelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆MEMS 传感器是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,经过多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，具有广阔的应用前景。MEMS 技术的构想早在 1959 年由物理学博士 Feynman在全美物理学年会上首次提出3。其中最为经典的一个结构便是微悬臂梁，其长度多在 1001000 m4，由固定端和自由端组成5。谐振式微悬臂梁是指基于 MEMS技术设计和加工出的微型悬臂梁结构的谐振元件。伴随着 MEMS 技术的发展，谐振式微悬臂梁传感器也取得了快速的发展。目前为止，凭借着 MEMS 技术特有的“轻、小、省、灵”的特点，谐振式微悬臂梁传感器作为一种可感知痕量质量变化的传感器也在各个领域大放异彩，不 管 是 生 物 医 学 上 对 蛋 白 质、DNA 和 RNA 的 测试6，亦或是针对于环境中气体成分的检测7-8，谐振式微悬臂梁传感器都发挥着重要的作用。通常使用该元件时会利用压电激励、电热激励、磁激励等激励方式使其发生谐振，谐振式微悬臂梁在检测到其自由端质量变化后，会极为敏感地产生谐振频率的变化。谐振式微悬臂梁具有制造成本低廉、工艺简单、灵敏度高、易于和数字仪表装置集成等优点9。因此，近年来谐振式悬臂梁传感器发展十分迅速，从图 1 中可以看出，自 2003 年起，相关研究工作逐年增加。基于该手段的温度、气体、黏度等类型的传感器得到广泛研究。由于谐振式微悬臂梁传感器具有的这种特性，也使其在传感器、工程学监控、环境分析10、生物医学领域11都有着极为广泛的应用。谐振式传感器按照谐振元件可以划分为振弦式传感器、振筒式传感器、振梁式传感器和振膜式传感器。其中振梁式谐振微传感器发展较快，且受到广泛的关注。基于此，本文对近 510 年来振梁式谐振微悬臂梁传感器的研究与应用进展进行了总结。期望本文可以对该领域的发展与后续研究提供一定参考。1 谐振式微悬臂梁传感器分类1.1 按原理分类振梁式的检测原理是根据环波导的折射率等变化或微悬梁的固有共振频率变化进行检测，其可划分为环形振腔式和单翘振梁式两种最为常见的类型。环形谐振腔式传感器是将环状波导与直波导吸附在悬臂梁上，通过测量悬臂梁形变后引起的谐振峰的位置变化而测量数据，如图 2(a)所示12。环形谐振腔式传感器的原理是在如图 2(b)所示 Input Port位置处输入一定波长的光束，该光束将在直波导中以全反射的形式输出，当光束反射至环波导附近时，将因倏逝波耦合进入环波导，而只有绕环波导传播一周的光程是波长的整数倍的光，才会和直波导中因倏逝波耦合进入环波导的光发生相长干涉留在环波导中，其余波长的光将回到直波导中从Output Port 输出。这就导致在最后检测输出光波长时，会有一部分波长的光从图谱中消失，产生谐振峰。当悬臂梁因外界力的作用发生形变时，负载在悬臂梁上表面的环波导同样将发生一定程度的形变，导致环波导的周长、折射率等参数同时发生改变，进而使图谱中谐振峰所处波长的位置发生改变，借由形变前后谐振峰位置的变化值，即可计算得到所需的数据，例如施加在悬臂梁上的力的大小或者吸附在悬臂梁上物质的重图 1按年份的被引频次和出版物分布图表图 2环形谐振腔式传感器工作与原理示意图12-13表 1用于生化检测的谐振式微机械悬臂梁、QCM、和 FBAR 的特点2制造方法工作频率质量分辨率适用环境谐振频率温度系数输出阻抗谐振式微梁MEMS 工艺，易 IC 集成，易小型化和阵列化10 kHz1 MHz10 fg1 pg空气、液体-35 ppm/K（Si）低（压阻）QCM切割加工，不与 IC 兼容310 MHz0.55 ng/cm2空气、液体0 ppm/K（AT cut）高FBARZnO 等压电材料制造，易小型化和组成阵列12 GHz0.51 ng/cm2空气、液体-60 ppm/K（ZnO）高12健康医疗微电子电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆量等等13。单翘振梁式是将敏感材料附着在悬臂梁上，在激振力的作用下使得微悬臂梁自由端发生一定频率的简谐振动，当待测物质吸附在微悬臂梁上的敏感材料时，通过拾振器测量微悬臂梁振动频率的改变，进而可以得到待测物质的种类、浓度等信息。谐振式微悬臂梁传感器14的原理是通过压电、电磁、电热、静电等激励方式使微悬臂梁发生谐振，使得负载在微悬臂梁压阻元件发生拉伸和收缩的形变（如图 3所示），导致其电阻值不断发生变化，通过与其连接的惠斯通电桥（拾振元件）进行检测。当梁不弯曲时，惠斯通电桥两侧的阻值基本相等，不存在电压差，但当微悬臂梁形变时导致压阻元件电阻发生变化使惠斯通电桥产生阻值差，偏离平衡态，输出信号，通过测试接口电路可获取频率的变化值。1.2 按激励方式分类1.2.1 压电激励将振梁式按照其激励方式的不同又可划分为压电激励15、磁激励16、电热激励17-18、静电激励19-20四种常见类型。不同激励方式的工作原理与优缺点对比如表2所示。压电激励是利用材料的压电效应，在衬底上的压电材料上下表面利用沉积、磁控溅射21等方法分别附着上下电极，给压电材料附加上电压之后，因其所具有的逆压电效应，压电材料制作的微悬臂梁会发生形变，在发生形变的同时又会反向产生电压。由此，当在上下电极加上交流电压时，微悬臂梁会产生与交流频率成一定关系的振动，将交流频率调整为悬臂材料的固有共振频率，两者保持一致时将会发生谐振。如图 4 所示，其中PNZT Thin Film 为铌掺杂锆钛酸薄膜（Pb(Nb,Zr,Ti)O3，PNZT），LNO Thin Film 为镍酸镧薄膜（LaNiO3）。压电激励具有极高的灵敏度与简单的结构，且功耗低、便于检测,可实现非接触激励检测22。图 5 所示为压电激励悬臂板实物。1.2.2 磁激励磁激励原理是当通有电流的金属线路，与磁场的方向垂直时，电路会受到垂直于电流方向与磁场线方向所在平面的安培力的作用（如图 6 所示）。将电路安置在微悬臂梁上，控制磁场方向不变，通过改变金属线路中电流的方向，微悬臂梁受到垂直于同一平面相反方向的力产生振动，当使用交流电频率与微悬臂梁的固有共振频率一致时，微悬臂梁就可以产生谐振24。磁激励的驱动效率在这四种激励方式中是最高的，但是由于要加装永久磁体，封装后传感器体积也会比较大。磁激励微悬臂梁实物图如图 7 所示。1.2.3 电热激励电热激励是利用单层或多层不同材料的结构的微悬臂梁26，给微悬臂梁加上电压，使其在电压的作用下图 3谐振式微悬臂梁动态工作示意图表 2不同激励方式的工作原理与优缺点对比激励方式压电激励磁激励电热激励静电激励工作原理逆压电效应洛伦兹力热膨胀系数电容极板间吸引力优缺点高灵敏度、结构简单、功耗低、便于检测驱动效率高、体积大与 IC 工艺兼容、易集成智能传感器功耗小、易集成、需要较大驱动电压图 4压电激励微悬臂梁示意图图 5压电激励悬臂板实物图23图 6磁激励微悬臂梁示意图13健康医疗微电子www.ChinaAET.comMicroelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆产生焦耳热。单层结构的微悬臂梁厚度会远大于梁材料的热穿透厚度，多层结构的微悬臂梁由于上下两层材料的热膨胀系数不同将产生弯曲形变，将电压改为交变电压后微悬臂梁因电热产生不同程度的弯曲，当调节交变电压的频率与微悬臂梁的固有共振频率相等时，微悬臂梁便会发生谐振，如图 8 所示。电热激励微悬臂梁显微图如图 9 所示。电热激励微悬臂传感器制作工艺与 IC 工艺兼容，可将其与信号调理电路集成在同一芯片，构成功能强大的智能传感器。1.2.4 静电激励静电激励利用的是电容器原理，当微悬臂梁与下极板之间加上电压之后，微悬臂梁会因与极板施加的正负电压而产生静电吸引力，导致微悬臂梁弯曲变形，在微悬臂梁与下极板之间施加上一定频率的交流电后，微悬臂梁会因与下极板组成的电容器充放电而产生相应频率的振动，通过改变交流电的频率，使其与微悬臂梁的固有共振频率保持一致，微悬臂梁便可发生共振28。静电激励微悬臂梁示意图如图 10 和图 11 所示。静 电 激 励 功 耗 小，易 集 成，但 是 需 要 较 大 的 驱 动电压。综上，谐振式微悬臂梁传感器具有结构与原理简单、制作工艺成本低、可量产、可阵列化等优点，将在各个领域发挥巨大作用，但是由于其结构原理特殊性，也导 致 其 在 液 相 传 感 中 有 着 巨 大 的 阻 碍，有 待 进 一 步研究。2 谐振式微悬臂梁传感器的应用进展2.1 在痕量生化分子检测中的应用环境监测在当今这个以绿色发展为主题的世界，显得尤为重要。谐振式微悬臂梁传感器在环境监测上有着十分强大的优势30。在现场化学检测31、农药残留测量32、有毒有害气体成分浓度测量3335等方面有着优异的性能。甲基膦酸二甲酯（DMMP）是有机合成中常用的阻燃剂或稀有金属萃取剂，具有一定的挥发性。在传感检测中，DMMP 也常用作神经毒剂或有机磷农药的模拟剂。Li 等人36使用逐层自组装（Layer-by-Layer）的方式在微悬臂梁的 SiO2表面上构建了超支化聚合物（如图 12所示），再用 APHFPP 基团（DMMP 表面特有的受体基团4-(2-(4-(烯丙氧基)苯基)-1,1,1,3,3,3-六氟丙烷-2-基)苯酚）修饰。由于超支化聚合物具有多支链多末端官能团，微悬臂梁传感器可以对大量 DMMP 分子进行选择性吸附，从而实现了超灵敏的微质量检测，且超支化聚合图 9电热激励微悬臂梁显微图27图 8电热激励微悬臂梁示意图图 10静电激励微悬臂梁示意图一28图 11静电激励微悬臂梁示意图二29图 7磁激励微悬臂梁实物图2514健康医疗微电子电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆物因其具有少根多支的特性，避免了因超支化聚合物大量附着引起微悬臂梁硬化导致的刚度变化。实验结果表明谐振式微悬臂梁传感器能够快速且可重复地检测微量 DMMP 蒸气分子（检出限低于 7.2 ppb）。此外，在用 AHFIP 基团（2-烯丙基六氟异丙醇）代替 APHFPP 基团修饰后，传感器对痕量爆炸蒸气同样表现出极高的敏感性。该课题组还设计了一种四悬臂结构的微传感器37，以及另一种基于双层 SOI 硅片的器件微悬臂梁传感器31，传感器对爆炸蒸气的检出限分别达到了 100 ppt和 7.6 ppb。在谐振传感器的优化方面，Li 等人38将加热端分别设计在悬臂梁固定端、中间、自由端三个位置，研究表明驱动元件在固定端的时候悬臂梁的振幅、Q值、谐振稳定性是最优的。黄赛鹏等人39也利用微悬臂梁和光杠杆检测制出了一种乙醇自挥发检测传感器。Fu 和 Xu 等人40以刚度较小的酞菁桐为敏感材料，将影响固有共振频率的因素锁定在等效质量的变化，通过将振动位移信号平移 180并反馈到谐振器的输入端的方法，平衡部分惯性力，减小悬臂梁的等效质量，从而提高了其固有共振频率。在乙醇蒸气分子时发现，传 感 器 的 灵 敏 度 提 高 了 90 倍。Li 等 人41设 计 了MOF-5 作为低浓度苯胺的传感材料，结合质量分辨率为 1.5 pg/Hz 的微悬臂梁制备了性能优异的传感器，其苯 胺 检 出 限 低 于 1.4 ppm，三 次 循 环 重 复 检 测 RSD 为4%，有着良好的重复性。由于块状的金属钯可在自然条件下与氢气结合成为氢化钯，表现出对氢气超高的吸附特性，且其相较于其他储氢材料的价格更低，Lynford L.Goddard 等人42通过在微悬臂梁上负载 50 nm 厚的钯膜，当钯膜吸附氢气后其晶格膨胀，导致光学与机械性能发生变化，引起的应力导致微悬臂梁的变形，利用 DPM（衍射相位显微镜）以纳米级精度测量微悬臂梁的瞬时高度分布，量化了钯薄膜微悬臂梁曲率的微小改变，从而确定环境中氢气的浓度。图 13 为其制作流程图。Li 等人43首次使用金属有机框架(MOF)材料作为谐振微悬臂梁传感器的敏 感 材 料，实 现 了 对 浓 度 为 10 ppb 的 CO 的 超 灵 敏检测。对于液相中污染物分子的检测，悬臂梁首先需要克服液体阻尼才能实现谐振。中国科学院上海微系统与信息技术研究所李昕欣等人44-45在微悬臂梁的表面上沉积了一层疏水材料 Parylene（聚对二甲苯），并通过牺牲层的方式在悬臂梁的外表面制作了防水的 Parylene“潜水衣”。该结构在 Parylene 涂层和悬臂梁之间形成了气隙，使得在液相检测时微悬臂梁大部分工作在空气环境下，仅有固定了敏感材料的区域可以接触待测液体样品。该结构上特别设计的狭缝可以有效防止液体进入涂层下方气隙并接触微悬臂梁，大大减小了粘滞液体对振动的阻力，提高了传感器的谐振 Q 值和质量检测分辨率。美国麻省理工学院的 Scott R.Manalis 课题组46设计了一种具有悬浮微通道结构的谐振悬臂梁，将溶液通入悬臂梁的空心通道中进行检测，而整体的悬臂梁结构置于真空中进行谐振，从而消除了液体阻尼带来的影响。该谐振悬臂梁具有亚飞克质量分辨率，可以对溶液中的单个细菌进行质量检测。李昕欣等人47设计了一种 双 室 液 气 分 离 的 结 构，使 用 透 气 膨 胀 聚 四 氟 乙 烯(ePTFE)薄膜将待测液相与传感区域分离，只有液相区域中 VOC（Volatile Organic Compound）可以进入传感区域，避免了液体阻尼对谐振器的影响，实现了在液体环境中的检测。总之，微悬臂梁传感器在检测环境中有毒有害污染物时具有明显的优势，为环境监测领域提供了一个新的微/纳米传感平台。2.2 在生物医学中的应用进展科技水平的先进常常在医学技术的发展上充分体现。由于微悬臂梁具有高灵敏度优势，使其在生物医学领域细胞相关研究中得到应用，常作为生化反应传感平台48，进行疾病检测49-50。细胞是组成人体的最小生命单位，细胞的质量、体积时刻处于变化过程，其变化原因与细胞内 ATP 运输、细胞核 DNA 转录等重要生理过程息息相关。细胞参数的失调将会导致许多疾病的产生，故在生物医学领域，检测单位时间内细胞的质量波动对于实时监控人体生理状态十分重要。苏黎世联邦理工学院(ETH zurich)的研究者51基于谐振悬臂梁开发了一款“细胞天平”，该天平可以测量培养条件下单个（或多个）贴壁细胞的质量，时间分辨率达到毫秒级，质量分辨率为皮克量级。该工作使用激光诱导微悬臂梁谐振。先测不负载细胞时的图 12超支聚合物修饰谐振微悬臂梁 SEM 图像36图 13钯基悬臂梁工艺流程图4215健康医疗微电子www.ChinaAET.comMicroelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆微悬臂梁频率，再测负载了细胞的频率，反复操作，再通过频率差得到细胞的质量。该工作在微悬臂梁上负载细胞外基质蛋白纤维连接蛋白和型胶原，使得其可选择性的吸附小鼠成纤维细胞和 Hela 细胞（癌症衍生细胞），采用锁相环作为反馈系统，实现即时追踪微悬臂梁固有谐振频率的变化，并将时间解析度缩小到 10 ms，选用光束偏转法实现了对细胞质量快速波动的监测（如图14 所示），测得单个小鼠成纤维细胞与 Hela 细胞的质量分别为 2.29 ng 与 2.43 ng，该工作为药物制造、癌症治疗等方向的发展提供了一种新思路。Zhang 和 Wang 等52人使用蛋白质 A 和抗体巯基化两种方式将 CL(盐酸克仑特罗)抗体修饰在微悬臂梁的Au 表面，采用酶联免疫吸附试验测试负载后的微悬臂梁表面抗体活性，得出采用蛋白质 A 固定的抗体比使用2-亚氨基硫烷盐酸盐固定的抗体活性高出 1.7 倍的结论，其原理是蛋白质 A 与微悬臂梁 Au 表面发生 N-Au 相互作用，但是其强度没有 S-Au 作用强度高，而使用 2-亚氨基硫烷盐酸盐的优势之处在于可以一步固定，但会巯基化会引起 10%左右的抗体失活。使用蛋白质 A 修饰的微悬臂梁在检测盐酸克伦特罗的测试中表现出了较好的重复性和较低的检出限，约为 0.1 ng/mL，其灵敏度受到微悬臂梁的尺寸效应、几何形状等因素的影响，同时该实验表明微悬臂梁传感器同样适用于食品生物残留物的检测。R.Bashir 等人53使用纳米级厚度的微谐振器传感器检测平均质量为 9.5 fg 的单个牛痘病毒，该传感器展现出了良好的选择响应性能和灵敏度。脂质体在生物医学上已经广泛应用于分子成像、药物运输等，Hyun 等人54首次使用 sulfo-LC-SPDP（磺基琥珀酰亚胺 6-(3-(2-吡啶基二硫代)丙酰氨基)已酸酯）将蛋白 C2A（突触结合蛋白）硫代化，增强了其在微悬臂梁上的吸附力，利用蛋白 C2A 表面的磷脂酰丝氨酸识别蛋白特异性自主识别脂质体表面受体（PS）的性质，将其附着在微悬臂梁检测区域，同时设置了未用蛋白 C2A功能化的压阻微悬臂梁传感器，测试二者同时在脂质体溶液中的电信号变化情况，发现功能化后的传感器对脂质体有明显的吸附作用导致微悬臂梁形变弯曲（如图 15所示），产生相应电信号变化，而未功能化的传感器并未检测到电信号变化，在配置了梯度浓度的脂质体溶液多次测试后，计算得出平均每个脂质体会产生 0.048 9 A的电流变化，进而实现对脂质体的数量的实时监测。该研究也意味着压阻微悬臂梁传感器在微生物生理变化方向提供了一种新的检测方式。Thomas Thundat 等人55用 Mikro Masch 的标准矩形硅无尖悬臂梁一端沉积 25 nm 的 Au 层与 2.5 nm 的 Cr层，清洗后浸泡食人鱼溶液 30 s 后再清洗烘干后，在BSA(牛血清白蛋白)的存在下，通过与戊二醛交联将GOx（葡萄糖氧化酶）负载于微悬臂梁上使其功能化，当GOx 与流体中葡萄糖发生酶反应时产生的应力导致悬臂梁弯曲，利用光束偏转法弯曲实现对葡萄糖浓度检测。而后对单个悬臂梁进行重复性测试，在多次注射 5 mM 葡萄糖的连续测量中，悬臂梁的挠度响应强度逐渐下降，推测为酶反应生成的 H2O2会腐蚀微悬臂梁表面的敏感层，导致再次检测时响应强度降低，但是该方法仍然有助于对糖尿病患者血糖水平进行实时监控。使用生物传感器检测溶液中待测物时，无论反应进行、能量传递还是信号转换过程，其发生场所都是固液界面。因此定量研究固液界面上生化反应的动力学和热力学有助于理解生物传感机理、完善传感器性能、评估界面设计与材料优化、最终指导生物传感器的设计与制造。核酸适配体(Nucleic Acid Aptamer)作为一种常用的生物传感器识别元件，它在生物传感界面上与其配体的反应动力学与热力学值得深入研究。李昕欣等利用MEMS 技术制备了一种新型谐振微悬臂梁传感器，并使用该传感器研究了核酸适配体与 ATP 的结合(association)与解离(dissociation)动力学与热力学56。该微悬臂梁传感器能够有效克服水溶液阻尼效应，在液态环境中实现了高 Q 值谐振测量，通过分析微悬臂梁传感器输出的频率-时间曲线，利用经典物理化学理论计算得出了固液界面上核酸适配体与 ATP 的一系列动力学及热力学参数(结合/解离平衡常数 K，吉布斯自由能 G，表面图 14光激励微悬臂梁传感器测定微小细胞质量波动工作原理图51图 15压阻微悬臂梁对脂质体数量检测原理图5416健康医疗微电子电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆覆盖度，结合/解离速率常数 ka/kd，反应活化能 Ea)，与经典方法测得的参数高度吻合。该工作通过一个微悬臂梁传感器采集到的数据可以一次性提取多个动力学与热力学参数，同时避免多次试验、多种仪器引入的系统误差，且无需对微悬臂梁传感器进行质量灵敏度标定，简化了实验步骤，提高了测定效率。海产品在腐烂过程中会产生三甲胺气体，常规检测该类气体有诸如气、液相色谱等手段，但都不可实现现场检测且设备复杂昂贵。李昕欣与许鹏程等人57用水热法制得羧基功能化的 SBA-15 介孔材料，将其超声均匀分散在去离子水溶液中后，利用光学显微镜在显微操作系统下将溶液精确滴加在微悬臂梁自由端，烘干固定后在悬臂梁上表面形成了敏感层，实现了传感器对 ppb量级胺类物质的检测，其对甲胺、二甲胺、三甲胺的检测限分别为 25.2 ppb、8.2 ppb、5.1 ppb。三个月后相同传感器对相同物质的响应差别不超过 10%，表明该传感器具有较长的使用寿命和重复性，提供了对海鲜类食品新鲜度现场检测的新手段。Bishakha Ray 等人58使用聚苯乙烯作为基础聚合物，采用银纳米粒子-还原氧化石墨烯复合材料、二氧化钛纳米粒子、铁酸锌纳米粒子-还原氧化石墨烯复合材料和醋酸纤维素四种填料进行功能化，以聚合物膜的形式负载于石英音叉上，使振幅进一步衰减，提高了共振频率。每一种都提高了对人体呼出特定 VOC 的选择性，识别精度达到 92%，而当将异丙醇，乙醇和甲醇视为一类化合物时，预测准确度提高至 96%。可用于呼吸学疾病的检测。2.3 在其他领域的应用谐振悬臂梁技术不仅在生化检测中具有重要的研究价值，而且在工业生产的应用也极为丰富，诸如湿度59-60、温度61-62、黏度63、微波功率64、气体浓度65、三废66等参数的实时监测，对生产的效率以及质量有十分重要的意义。马洪宇等人67利用 Al 与 SiO2的热膨胀系数差异，设计了双层微悬臂梁温度传感器，对温度的分辨率达到了0.05。韩东祥68以及徐军等人69同样通过设计石英音叉式传感器，实现了对温度的测量。石油化工产业中常常通过测量黏度的实时变化调控石油裂化等反应的参数，Rahman.hebibul 等人70利用微悬臂梁谐振频率和真空工作与流体工作中 Q 值差异，设计了微悬臂梁黏度传感器南京航天航空大学的朱春玲等人71利用结冰时微悬臂梁的刚度变化大于质量变化，制作出压电谐振式微悬臂梁结冰传感器，应用于航空产业。苏莹等人72基于环形谐振腔传感器的工作原理研究，制造出环形谐振腔传感器，实现了对微压力（1 kPa以下）的检测。邹梦启等人73利用不同材质的热膨胀系数差异制出了具有温度补偿功能的压力传感器。传统 TG/DTA（热重/差热）分析仪器对样品的消耗量在毫克级别，且测试样品无法回收。这类仪器在测试中所使用的大量样品在快速加热过程中不可避免地存在加热不均匀问题，导致温度分布不均匀和测量结果不准确。降低加热速度将会大大降低仪器的分析效率，另一方面急剧加热可能导致部分特殊样品爆炸，损坏仪器。李昕欣和许鹏程课题组17设计了一种用于 TGA 的微 机 械 谐 振 悬 臂 芯 片（MR-TGA）和 嵌 入 式 悬 浮 膜 片MEMS 芯片，将样品量减少到 10 ng 和微克级别，降低了样品爆炸的风险性,同时最大加热速率达到 25/s，大大提高了加热均匀性与分析准确度如图 16 所示。李昕欣等人近期还将 TG 和拉曼光谱结合，仅使用亚纳克级别的样品即可实现同步 TG-Raman 表征74。上述研究充分验证了谐振式悬臂梁在分析仪器领域的可行性和潜力，为谐振悬臂梁的应用开拓了新的场景。3 结论与展望谐振式微悬臂梁传感器的应用大多数是通过在微悬臂梁上负载不同的敏感材料来实现其对目标物质检测功能。开发新型的、具有特异吸附性的功能敏感材料将有利于谐振式微悬臂梁传感器在更广阔的领域进行应用。近年来具有新型结构的谐振式微悬臂梁传感器也不断涌现，结合接口电路的优化和新的设计，提升了新型谐振式微悬臂梁传感器的分辨率、灵敏度以及在更多环境下的适应性。特别是其在原位化学反应机理分析方面的应用，将成为一个新的热点。另外，谐振式悬臂梁传感器作为一种灵敏度极高的检测器件，开发针对目标的新型敏感材料和器件结构，将会对其应用起到关键作用。相信随着人们对谐振式微悬臂梁传感器的研究不断深入，其应用范围也将不断拓宽，满足为社会生产不断提升的需求。图 16TG/DTA 微系统 3D 示意图1717健康医疗微电子www.ChinaAET.comMicroelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆参考文献 1 COCCIA M,ROSHANI S,MOSLEH M.Scientific developments and new technological trajectories in sensor research J.Sensors(Basel),2021,21(23).2 金大重.生化检测用集成微机械悬臂梁谐振传感器技术 D.上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）,2006.3 FEYNMAN R P.Theres plenty of room at the bottom J.Journal of Microelectromechanical Systems,1992,1(1):60-66.4 唐荣喜.浅析微悬臂梁的应用 J.科技与创新,2014,(7):35，39.5 KURMENDR A,KUMAR R.Design analysis,modeling and simulation of novel rectangular cantilever beam for MEMS sensors and energy harvesting applications J.International Journal of Information 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