新型MEMS质量传感器的研究.pdf

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1、衣衩币与传感器2011第8期InstrumentTechniqueandSensorNo．8新型MEMS质量传感器的研究熊磊"，焦继伟，葛道晗一，宓斌伟，一，张轩雄(1．上海tl"r大学光电信息与计算机工程学院，上海200093；2．中科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；3．中科院上海微系统与信息技术研究所微系统技术国家重点实验室，上海200050)摘要：研究了一种新型MEMS质量传感器的设计、仿真与制造。这种用于流体中微小分子质量检测的MEMS器件，具有高度对称的中空圆盘结构，以谐振的方式工作于简并／解并模态，能在测量时实现对环境波

2、动的自我补偿。器件的中空腔内可以流过被测流体，腔外的真空环境使得圆盘谐振器受到更小的阻尼。利用ANSYS对圆盘在质量吸附前后的模态及频率分裂进行仿真，计算结果显示对质量的测量灵敏度达pg量级。采用MEMS双牺牲层工艺方法成功制作出具有双层结构的空心圆盘谐振器。关键词：MEMS；谐振器；质量传感器；自补偿中图分类号：TP212；TN405文献标识码：A文章编号：1002—1841(2011)08—0001—03StudyonNovelMEMSMassSensorXIONGLei，，，JIAOJi．wei，，GEDao．han·，MIBin．wei，。，ZHANGXuan．

3、xiong(1．Schoolofoptical-electricalandComputerEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China；2．StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology，ShanghaiInstituteofMicro-systemandInformation，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200050，China；3．SdenceandTechnologyonMicro-sy

4、stemLaboratory，ShanghaiInstituteofMicro-systemandInformation，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200050，China)Abstract：Thispaperinvestigatedthedesign，simulationandfabric~ionofanovelMEMSmasssensor．ThehighlysymmetricMEMSdeviceusedformicro-moleculemasssensinginfluid，workedintheprincipleofmoded

5、egenerationandnon—degenerationwhenresonating，beingadvantagedinself-compensatingwithenvironmentalfluctuation．Analyteisconfinedinthehollowchannel，e~emalsurroundedbyvacuumenvironmenteliminatingVISCOUSdamping．Modesofdiskwhenmasssorption／desorptionweresimu—latedinANSYS，andanorderofPgtestresol

6、utioncanbeobtained．UsingastandardMEMSprocessflow，thehollowdiskresonatorwithdousestructuresWaSfabfic~edwithdual—sacrificial-layer．Keywords：MEMS；resonator；masssensor；self-compensating0引言圆盘谐振器用于对流体中微小分子的质量检测，具有高灵敏度目前，MEMS(微机电系统)技术广泛应用于生化、医学等方和高品质因数。面的研究，如病毒检测，生物分子辨识等，而利用MEMS器件对1工作原理与模态仿真流体中

7、微小分子的质量检测也是非常重要的研究方向⋯。传1．1工作原理统的悬臂梁谐振器通过测量质量改变引起的谐振频率绝对变理想的圆盘是中心对称结构，能够工作在简并／解并模化来完成检测，这种方式在测量时，因为被测物质量非常微小，态J。一对相邻的简并模态具有相同的自然频率(图1(a))。测量结果受环境的影响比较大，会出现较大的漂移j。一般通当对图1(b)所示的4个中心对称的扇形吸附区功能化处理后，过增加参考结构或者补偿电路的方式来改善，但这样不仅增如对特定区域涂覆抗原蛋白分子，流体中被检测的微小分子加了器件的复杂程度，更降低了测量精度。同时，在对一些流