基于MEMS的压阻悬臂梁式生物传感器设计

摘要

压阻微悬臂梁式生物传感器是多学科最新研究成果的产物，主要包括：微机电系统、集成电路技术、纳米技术、分子生物学和材料学。此种生物传感器很容易地通过微机电加工技术进行制造。微悬臂梁表面(磁球上)抗体与抗原(癌细胞上)之间的结合导致悬臂梁的弯曲和压阻的变化，而压阻的变化则通过惠斯通电桥电路测量出来，从而实现高灵敏度地癌细胞检测。 本文主要论述了用于癌细胞检测的可复用压阻悬臂梁生物传感器的设计和实现方法，重点是电感线圈的电磁仿真优化设计和传感器的版图工艺设计。针对U型悬臂梁的结构优化设计，结合噪声理论和应力分布推导出了悬臂梁灵敏度和最小分辨力的表达式。对通过电流的平面微电感线圈所产生的磁场，进行了全面地理论分析和有限元分析，从而得出了磁场与电感线圈结构参数的关系。此外，还通过数学分析手段模拟了磁球所受的磁场力，表明磁场力大小与磁场强度和磁场梯度都有关系。利用上述关系，对电感线圈的结构参数进行了优化设计，使磁球能被有效的吸附。 此生物传感器的制造工艺介绍包括单晶硅工艺和绝缘体硅工艺。因为二氧化硅埋层可以提供刻蚀终止，选用绝缘体硅工艺制造可以大大降低悬臂梁的厚度。基于绝缘体硅的传感器的版图和工艺设计都是按照中国电子科技集团13所的MEMS线的工艺规范进行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 MEMS传感器简介

1.1.1 MEMS

1.1.2 MEMS传感器

1.2微悬臂梁结构与MEMS生物传感器

1.3选题的意义和研究方向

第二章压阻悬臂梁生物传感器的基本工作原理

2.1半导体的压阻效应

2.1.1压阻效应原理

2.1.2单晶硅的压阻系数

2.2传感器中惠斯通电桥原理

2.3癌细胞的选择性吸附原理

2.3.1抗体和抗原的免疫反应

2.3.2磁球的制备

2.4压阻悬臂梁生物传感器的工作原理

第三章压阻悬臂梁生物传感器的结构设计与仿真优化

3.1悬臂梁的力学分析与优化

3.1.1单层膜悬臂梁的力学分析

3.1.2复合膜悬臂梁的力学分析

3.1.3悬臂梁的灵敏度与噪声

3.1.4 U型悬臂梁的主要设计参数

3.1.5悬臂梁的结构优化设计

3.2悬臂梁上电感线圈的设计与电磁仿真

3.2.1平面电感线圈磁场理论分析

3.2.2磁场对磁球的吸引力计算

3.2.3平面电感线圈产生磁场的特性仿真

3.2.4电感线圈的优化设计

第四章压阻悬臂梁生物传感器的版图与工艺设计

4.1两种不同的制作方案

4.1.1基于单晶硅的制作工艺流程

4.1.2基于SOI的制作工艺流程

4.1.3两种方案的比较

4.2传感器结构尺寸

4.2.1 SOI片参数的选取

4.2.2压敏电阻的尺寸选取

4.2.3电感线圈的材料选取

4.2.4电桥连接方式的选择

4.3悬臂梁生物传感器的版图

4.4悬臂梁生物传感器的制版说明与工艺要求

4.4.1制版说明

4.4.2工艺要求

第五章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢