基于表面应力的MEMS生物传感器研究

摘要

随着基因工程、疾病诊断、药物发现、环境监测等领域的发展，对无标识、多通路、快速传感检测技术的需求呈革命性增长。基于微机电技术的生物传感器，集微传感器、微驱动器、微流体系统、微光系统及微机械元件于一体，具有微型化、便携、高灵敏度、低成本等优点，很好的满足了这种需求，成为各国竞相追逐的技术高点，已广泛应用于医学、食品工程和生物医学工程等领域。
　　 表面应力生物传感器是一种新型的微机电生物传感器，它利用分子间化学键的结合能进行传感，具有较高的灵敏度，为生化传感提供了一种通用的测试平台，是近年来国内外研究的热点之一。
　　 本文从表面应力理论出发，系统的分析了生物表面应力的传感机理，详细阐述了微悬臂梁、微薄膜两种结构的表面应力测试方法。并在此基础上设计了微悬臂梁、微薄膜两种结构的表面应力生物传感器概念模型。
　　 利用有限元软件ANSYS，建立了这两种结构的有限元模型，并进行了系统的结构优化:对悬臂梁结构的静力偏转和谐振模态进行了仿真，验证了其传感特性;对微薄膜结构进行了静力偏转和电容传感特性仿真，对比分析了方形薄膜和圆形薄膜，全面优化了传感器的形状、尺寸等关键的结构参数，为后续加工制备提供了有益的借鉴。
　　 在仿真优化的基础上，设计了合理的工艺流程，在克服工艺兼容性难题的基础上，成功实现了微薄膜表面应力生物传感器的制备，为此类传感器的最终测试应用奠定坚实基础。

目录

声明

摘要

第一章 生物微机电系统

1．1 生物微机电系统简介

1．2 生物传感器

1．2．1 表面等离子体共振生物传感器

1．2．2 质谱法生物传感器

1．2．3 表面声波生物传感器

1．2．4 表面应力生物传感器

1．3 本文主要研究内容

第二章 生物传感器设计

2．1 生物表面应力

2．2 表面应力偏转测试理论

2．3 表面应力生物传感器概念设计

2．4 本章小结

第三章 微悬臂梁表面应力生物传感器的设计与仿真

3．1 ANSYS简介

3．2 微悬臂梁结构偏转传感模式分析

3．2．1 悬臂梁结构静力分析

3．2．2 悬臂梁结构静力仿真

3．3 微悬臂梁结构振动传感模式分析

3．3．1 悬臂梁弯曲谐振模态

3．3．2 谐振式表面应力传感理论

3．3．3 悬臂梁模态仿真

3．4 本章小结

第四章 微薄膜表面应力生物传感器的设计与仿真

4．1 传感器设计

4．2 建模与仿真

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 电容式微薄膜表面应力生物传感器制备

5．1 工艺流程设计

5．1．1 微加工工艺介绍

5．1．2 加工工艺流程

5．1．3 微薄膜制备工艺

5．2 版图及加工过程

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果