微懸臂梁傳感器在氣體檢測方面的應用

趙丹 沈陽計量測試院

傳感器是一種可以獲取有用信息并將其轉換成可用信號（光信號、電信號）的特殊裝置，它在信息處理系統中占有十分重要的地位，廣泛應用于生產、科研和生活的各個領域。氣體檢測在人們生產生活中的應用十分廣泛，特別是在安全生產方面，如，礦井作業、毒氣的生產運輸。氣體傳感器直接關系到人們的生命財產安全。微機電系統（MEMS）技術是基于微電子技術的微器件加工制造方法，其中懸臂梁結構是最簡單的微結構，利用它可以探測到極小的位移或質量的變化，這使得微懸臂梁成為高精度高靈敏氣體傳感器的理想選擇。空氣質量問題是社會問題中急需解決的一大難題，解決這一難題的一個關鍵點是對空氣中氣體分子的準確分析。本文綜述了微懸臂梁傳感器在氣體檢測方面的應用，包括一般性氣體，爆炸性氣體和有毒有害氣體，并分析了使用局限性，為今后的氣體傳感器的深入研究提供了新方法。

一、工作原理

微懸臂梁傳感器以其體積小、成本低、靈敏度高等優點獲得了越來越多的研究與應用，為生化物質的檢測提供了一種新方法，具有誘人的應用前景和很大的市場潛力。但是微懸臂梁傳感器還存在許多問題，如檢測的可靠性與靈敏度有待提高，如何實現定量分析等。微懸臂梁傳感器的一個重要發展方向是將其與分析化學、計算機、電子學、材料科學與生物學、醫學等交叉，可以組建芯片實驗室，實現化學分析檢測，有可能導致化學分析領域的一場革命。基于微懸臂梁氣體傳感器已經顯示出了優越的性能，它們的主要優點在于高精度、低功耗、與IC工藝兼容易于實現、成本低、體積小易于操作、能實現陣列化等。到目前為止，微懸臂梁諧振式氣體傳感器的精度已經可以和其他傳統的氣體檢測方式相媲美，陣列化是基于微懸臂梁的諧振式氣體傳感器的無可比擬的優勢，它可以提高檢測精度，還可以用來實現多種氣體的同時測量。因此，基于單芯片集成的電學檢測方法、高選擇性和可重復性的敏感層、增大陣列（＞100甚至成千上萬）是當前微懸臂梁諧振式氣體傳感器發展的主要方向。現階段制約微懸臂梁諧振式氣體傳感器發展的主要問題在于懸臂梁的表面修飾即敏感層材料的選取和敏感層制作。目前，由于可用的優良的化學試劑有限，懸臂梁傳感器的發展需要更成熟的表面修飾技術和理論支持；另一方面，到目前為止基于懸臂梁的傳感器還沒有得到廣泛應用的成熟的產品問世。但大批的科研工作者們正積極從事于懸臂梁的表面修飾和氣體敏感膜的研究，這無疑展示了基于微懸臂梁的諧振式傳感器的市場價值。可以確信，基于微懸臂梁的諧振式氣體傳感器必將會得到廣泛的應用。微懸臂梁傳感器[1]是一種可以獲取有用信息并將其轉換成可用信號的高精度微型傳感裝置。通過將梁表面接收到的信息轉化成梁的應力形變，或者促使懸臂梁共振頻率偏移，將這一變化通過光學或電學的讀出方法轉為可視信號，利用計算機進行分析處理。

二、工作模式

微懸臂梁[2]應用于氣體檢測主要有兩種工作模式：靜態模式和動態模式。

（一）靜態工作模式

靜態模式是通過改變梁表面應力實現，具體方法為：將一種可以與待測物質分子發生特異性結合的分子預先修飾在懸臂梁表面的一側，當梁處于包含待測物質分子的環境中時，兩種分子發生結合反應，導致了梁表面應力發生改變，使懸臂梁產生彎曲變化。

（二）動態工作模式

動態模式是通過測量梁表面質量微小變化實現。質量變化影響梁的共振頻率，梁表面的質量增加，促使其共振頻率減小，通過測量頻率的變化值即可獲知吸附物的質量大小。

三、傳感器在氣體檢測方面的應用

（一）一般性氣體檢測

微懸臂梁傳感器對氣體進行定量檢測是一個熱點研究方向。2011年，Jin等人在懸臂梁自由端涂上活性炭后，研究了懸臂共振頻率和二氧化碳壓力的關系。2014年，Kim等人研制了一種高靈敏度懸臂型化學機械氫傳感器，可檢測濃度高達4%氮氣中稀釋的氫。2018年，Lv等人用重力型傳感材料，采用共振微懸臂梁傳感器實現了對10ppbco的靈敏檢測。

（二）爆炸性氣體檢測

爆炸性氣體會對人類的生命財產安全帶來巨大隱患，如何有效地對其定量檢測是迫切需要解決的題。2004年，Pinnaduwage等人對DNT、TNT等爆炸性氣體進行了檢測。2010年，Xu等人用于研制了用于檢測三硝基甲苯（TNT）蒸氣的多壁碳納米管改性共振微懸臂梁化學傳感器。實驗顯示快速檢測ppb水平的TNT蒸氣的能力，以及功能化基團對TNT分子的高度特異性。2011年，Zhu等人將一種比色受體四硫富勒烯官能化吡咯與一種聚酰亞胺微反杠桿結合在一起，可檢測10ppb三硝基苯蒸氣。

（三）有毒氣體檢測

有毒氣體在空氣中凝結會對人的皮膚產生刺激作用，導致過敏等癥狀，嚴重會導致病變。2006年，Porter[7]等人用嵌入式壓阻式微懸臂梁傳感器來檢測氰化氫氣體。2015年，Ju[8]等人利用組合肽庫和一個石墨表面或苯基端接自組裝單層作為相關的靶表面，實現了定量檢測苯、甲苯和二甲苯亞ppm水平檢測。2016年，Wang等人研究了一種基于納米敏感材料和MEMS技術的新型煤油氣體傳感器，具有較高的靈敏度和線性度。

四、展望

未來可將微懸臂梁傳感技術與納米技術和軟物質技術相結合，致力于發展多選擇性、高穩定性和耐用性的柔性傳感器。

五、結論

隨著微加工技術的提高與薄膜技術的發展，近幾年微機電系統傳感器在氣體檢測方面受到廣泛關注。由于分子的吸附而導致的微懸臂梁彎曲偏轉量的變化主要是由于分子吸附在微懸臂梁表面后，在上下表面產生了不同的應力。分子吸附在懸臂梁表面之前，懸臂梁上表面和下表面的應力處于平衡，產生一個沿著微懸臂梁中間平面的徑向力，當分子吸附到微懸臂梁上下表面后，它們對上下表面應力的影響不一樣，基于懸臂梁彎曲的測量方法在生物和化學探測中更具有吸引力。