生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)進(jìn)展匯報

1、生物傳感器的微懸臂梁生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究換能技術(shù)研究項(xiàng)目驗(yàn)收報告項(xiàng)目驗(yàn)收報告李艷寧天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究匯報提綱1、基本信息2、微懸臂梁簡介3、作為生物傳感器換能元件的微梁的優(yōu)勢4、工作總結(jié)報告5、技術(shù)總結(jié)報告6、存在問題(進(jìn)一步研究內(nèi)容)7、國內(nèi)外同類技術(shù)比對8、結(jié)論2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究1、基本信息n 項(xiàng)目名稱：n 項(xiàng)目類別：天津科委應(yīng)用基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目n 項(xiàng)目編號 ：043601711 n 起止年限：2004. 4 2006.3 n 所屬學(xué)科：自動化技術(shù)n 關(guān)鍵詞：生物傳感器，微懸臂梁，生物素親和

2、素 n 研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)和意義摘要 ： 以生物素親和素體系BAS為分子識別機(jī)制，研究微懸臂梁生物傳感器換能技術(shù)。通過檢測帶有壓阻電極的微懸臂梁的頻率響應(yīng)進(jìn)行定量檢測。該種換能技術(shù)可達(dá)單分子靈敏度，結(jié)構(gòu)精巧，它的研制成功可以用于構(gòu)建多種生物傳感器，為食品安全、臨床檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、反生物恐怖、生物芯片研制、蛋白質(zhì)組學(xué)等領(lǐng)域的超微量分析提供先進(jìn)的高科技檢測手段。 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究2、微懸臂梁簡介2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究 Tip ParametersFull tip cone angle 30Tip height 20 25 mTypical tip

3、 radius10.0 nmMaterialslength(m)width(m)Thickness(m)Spring constant(N/m)Resonant frequency (kHz)Si, Si3N4polymertenshundredstens0.7several0.001hundreds3100MrectangulartriangulartiplessMicrocantilever specification:Regular microcantilevers2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究The active probe(http:/ containing a Zn

4、O stack 0.25m Ti/Au, 3.5m ZnO, 0.25m Ti/Au ZnO bimorph can be used for statically deflecting the tip oscillating the cantilever self-sensing 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Microcantilevers with piezoresisitors(I) A. Boisen, J. Thaysen, H. Jensenius, O. Hansen, Mikroelektronik Centret, Technical University o

5、f Denmark(II) B. Chui, T. Kenny, Stanford University, and, H. J. Mamin, B. Terris, D. Rugar, IBM Almaden Research Center(I)(II)(I)2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Applications of microcantilevers As sensors(a) AFM force sensor;(b) Temperature, heat sensor;(c) Medium viscosity sensor;(d) Mass sensor;(e) Stress

6、 sensor;(f) Magnetic sensor. As actuatorsSchematics showing the microcantilever as sensors2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究n Sensors and actuators are the fundamental and most important elements for MEMS and nanotechnology progress.n The microcantilever provides us a unique tool for sensing ultra-small forces

7、 in the microscopical world. n Microcantilevers are used as springs in microworld. The most impressive of microcantielver?2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Review examples2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Detection of single electronM. Woodside and P. McEuen, Science 296, 1098 (2002). Coulomb oscillations as functions of

8、 Vtip(a), tip positons(b), and feature changes with Vtip(c).(a) (b) (c)Detection principle2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Electron spin detectionnA major milestone toward the goal of three-dimensional molecular images. nPromising for 3-D view of a single protein. nThe force from an electron spin is only a fe

9、w attonewtons (10-18N). nCantilevers is used for force detection.D. Rugar, R. Budakian, H. J. Mamin, B. W. Chui, Nature 2004, 430, 329(IBM Almaden Research Center )iOSCAR protocalPlots showing spin position2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究AFM anodic oxidationArray of parallel SiO2 linesAFM anodic oxidationJrg

10、 P. Kotthaus, nanophysics group, LMU Mnchen.R. Garca, M. Tello, Instituto de Microelectrnica de Madrid, CSIC, Isaac Newton, Madrid, Spain.Applications: nanometer-scale patterning, various devices such as MOSFET, side-gated FET, room-temperature single electron transistor.a Ti/TiOx barrier 2006年4月生物傳

11、感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Mirkin Group, Northwestern University, /mkngrp/dpn.htmDip-Pen nanolithography 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究AFM data storageP. Vettiger, M. Despont, U. Durig, etc., IBM Zurich Research Laboratory120 and 40 nm data bit of PMMA on SiMillipede Writing ReadingThermal

12、mechanical reading/writing;Polymer media with indentation bit;Millipede cantilever/tip array(4096);500GB/in2 density.2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究AFM manipulation of nanotubeshttp:/ the nanotubeBend the nanotubeStepwise positioning of a nanotube across an insulating barrier2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Biologica

13、l sensing & manipulation(1)Florin, E.-L., Moy, V.T. & Gaub, H.E. Science 264, 415 (1994).Forced unbinding of the avidin-biotin complexFunctionalization of the AFM tipCurves for force measurementMeasured forces of different pairs Avidin-biotin complex formed 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Biological

14、sensing & manipulation(2)Rief M, Gautel M, Oesterhelt F, Fernandez JM, Gaub HE: Reversible unfolding of individual titin immunoglobulin domains by AFM. Science 1997, 276:1109-1112.Oberhauser AF, Marszalek PE, Erickson HP, Fernandez JM: The molecular elasticity of the extracellular matrix protein

15、 tenascin. Nature 1998, 393:181-185.Reversible unfolding of individual titinMeasurement principleSawtooth-like pattern showing the periodicity and unfolding forcesForcesExtension“Everything in biology is mechanical”2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Microcantilevers for MEMS (1)For accelerometershttp:/ structur

16、e ADs accelerometer 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Microcantilevers for MEMS (2 )For actuation/shortcourse/Lateral resonant microactuatorApplicaple to microfluidics2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究T. Mishra, Indian Institute of Technology, Kanpur, IndiaM. Carrozza, A. Eisinberg, A. Menciassi, et al

17、., Scuola Superiore SantAnna - MiTech Lab, ItalyEuglena (Kim et al. JMEMS, 92)A simple design of microgripperMicrocantilevers for grippers (1)2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究http:/ Microcantilevers for grippers (2)2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Microcantilevers for grippers (3)K. Saitou and S. J. Wou, Department of

18、Mechanical Engineering and Applied Mechanics, University of MichiganSelective resonance and linear microvibromotorsThree-step Opteration2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Piezoelectric nanogenerators based on Zinc Oxide Nanowire Arrays2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究3、微梁作為生物傳感器換能元件的優(yōu)勢n High sensitivity and resolution li

19、mits.n Small quantities (few ul) of substance required for analysis(saving money).n Without the need for analyte labeling, which in many case are complicated.n Microcantilever are batch fabricated, so cheap and disposable sensors are possible.n Array of microcantilevers can be easily fabricated.n Ea

20、sily integration with CMOS circuitry and fluid handling systems.2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4、工作總結(jié)報告2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4.1 研究目標(biāo)、預(yù)期成果及提供形式 n 研究目標(biāo)：n 認(rèn)識微懸臂梁在液體中的工作機(jī)理；n 建立微懸臂梁彈性常數(shù)的實(shí)時標(biāo)定方法；n 開發(fā)出微懸臂梁在液體環(huán)境下的品質(zhì)因數(shù)Q控制電路；n 設(shè)計并優(yōu)化該類生物傳感器的結(jié)構(gòu)模型，研制微懸臂梁生物傳感器原型機(jī)一臺。n 預(yù)期研究成果：n 提出用于液體的微懸臂梁生物傳感器的工作機(jī)理，從微懸臂梁在液體中的振動方程得出微懸臂梁的振

21、動特性與彈性常數(shù)、有效質(zhì)量以及液體物性參數(shù)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，得出品質(zhì)因數(shù)Q與液體物性間的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；n 建立微懸臂梁彈性常數(shù)的實(shí)時標(biāo)定方法；n 開發(fā)出微懸臂梁在液態(tài)環(huán)境下的品質(zhì)因數(shù)Q控制電路和系統(tǒng)電路；n 提供形式：n 完成實(shí)驗(yàn)原型機(jī)一臺。n 預(yù)計發(fā)表論文46篇，申請專利1項(xiàng)。 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4.2 課題執(zhí)行情況與評價n 認(rèn)識微懸臂梁的工作機(jī)理； 研究過程中，把微懸臂梁等效為“彈簧質(zhì)量塊”模型，建立了在受激狀態(tài)下微懸臂梁在空氣和液體中的振動方程。通過解析微懸臂梁的振動方程，從理論上認(rèn)識了微懸臂梁在液體中受阻尼狀態(tài)下的振動過程和工作機(jī)理。推導(dǎo)了相應(yīng)的理論公式。

22、這為微懸臂梁在生物傳感器上的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究n 建立微懸臂梁彈性常數(shù)的實(shí)時標(biāo)定方法； 在認(rèn)識微懸臂梁在液體中的基本工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種快速、實(shí)時測定微懸臂梁彈性常數(shù)的基本方法。根據(jù)微懸臂梁彈性常數(shù)與液體粘度的基本關(guān)系，通過測量微懸臂梁在兩種不同粘度的液體中的諧振頻率，可以間接測量微懸臂梁的彈性常數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法的精度優(yōu)于5。2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究n 開發(fā)出微懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)Q控制電路； 在理論和實(shí)驗(yàn)研究微懸臂梁的受激振動機(jī)理和品質(zhì)因數(shù)調(diào)控理論和方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了基于模擬技術(shù)的微懸臂梁品質(zhì)因數(shù)調(diào)控電路

23、。它主要包括兩個模塊，一個正反饋模塊和一個鎖相環(huán)模塊。正反饋模塊用于增加微懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)；鎖相環(huán)模塊跟蹤微懸臂梁的振幅、頻率和相位，并通過一個可變移相器和一個可變增益放大器控制微懸臂梁振動的品質(zhì)因數(shù)Q。 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究n 設(shè)計并優(yōu)化該類生物傳感器的結(jié)構(gòu)模型，研制微懸臂梁生物傳感器原型機(jī)一臺。開發(fā)了微懸臂梁生物傳感器的探頭、驅(qū)動電路、信號放大和采集電路以及基于個人計算機(jī)的控制和顯示系統(tǒng)。n 實(shí)際達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)： 檢測極限（靈敏度）：10pg 頻率分辨力： 0.5Hz(060kHz范圍) 質(zhì)量分辨力： 10pg2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4.3

24、成果推廣應(yīng)用前景的評價n 微懸臂梁生物傳感器結(jié)構(gòu)精巧，靈敏度可達(dá)皮克(pg)量級。它的產(chǎn)業(yè)化可以在食品安全、臨床檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、生物反恐、生物芯片研制、蛋白質(zhì)組學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 n 作為一種極其重要的微納傳感和執(zhí)行元件，微懸臂梁在微光機(jī)電系統(tǒng)、生化檢測與分析等領(lǐng)域可以用于構(gòu)建多種產(chǎn)品，如加速度計（可用于汽車的安全氣囊）、微型壓力傳感器、微型手術(shù)刀和微型鑷子、微流控芯片中的微閥門和微泵、生化傳感器等，這些產(chǎn)品均有著廣泛的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4.4 經(jīng)費(fèi)決算和經(jīng)費(fèi)使用評價n 項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)預(yù)算為6.0萬元，市財政計劃撥款6.0萬元，實(shí)際開支為6.

25、0萬元。n 能源材料費(fèi)開支為3.8萬元，主要用于科研項(xiàng)目中的壓電微梁、DSP和單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、電子元件和機(jī)電部件、生物樣品等的購買；微梁尺寸標(biāo)定、性能測試、電路和軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等的測試分析費(fèi)用；科研項(xiàng)目的水電費(fèi)等。n 實(shí)驗(yàn)外協(xié)費(fèi)為0.6萬元，主要用于探頭的機(jī)械加工、生物樣品DNA和細(xì)胞的委托制備等、電路板的委托加工等。；n 租賃費(fèi)0.1萬元，用于樣機(jī)開發(fā)過程中專用檢測儀器的租賃。n 差旅費(fèi)0.4萬元，用于參加2004北京SPIE和深圳的微納米技術(shù)學(xué)會。n 會議費(fèi)0.6萬元，用于兩次學(xué)術(shù)會議的會費(fèi)等的開支。n 信息費(fèi)0.2萬元，用于項(xiàng)目調(diào)研費(fèi)、資料費(fèi)、文獻(xiàn)檢索、網(wǎng)絡(luò)費(fèi)等等。n 管理費(fèi)0.

26、3萬元用于公用儀器設(shè)備和房屋占用等方面的費(fèi)用。 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4.5 人才培養(yǎng)、合作、論文和專利 n 培養(yǎng)了碩士研究生4名、本科生2名，在讀研究生3名，在讀博士生1名。n 國內(nèi)合作：n 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所：高志賢 研究員n 國外合作n Peter Zeppenfeld博士，孫立東博士，奧地利林茨開普羅大學(xué)n Canh Minh-Tran博士, 法國圣安娜高級研究院n 吉海峰博士，美國路易斯安娜技術(shù)大學(xué)微加工研究所n 發(fā)表論文4篇，投稿1篇。申請國家發(fā)明專利3項(xiàng)。2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究4.6 存在的問題 n因?qū)嶒?yàn)條件限制，微

27、懸臂梁傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)以聚合物噴灑的檢測取代了原計劃的以BAS（生物素抗生物素）為測量對象的實(shí)驗(yàn)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)的高靈敏度和簡單、便攜的優(yōu)點(diǎn)。 nBAS的實(shí)驗(yàn)將在下一步與美國吉海峰博士的研究小組合作開展。2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5、技術(shù)總結(jié)報告2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5. 1 微懸臂梁動態(tài)檢測方法的建立n以矩形微懸臂梁為研究對象，分別建立了在有阻尼（如液體）和受激有阻尼情況下的微懸臂梁的振動方程： 022*kydtdydtydmtiemFkydtdydtydm*022*(1)(2)2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技

28、術(shù)研究n微懸臂梁的諧振頻率n質(zhì)量變化與頻率偏移的關(guān)系*021mkf(3)11(420212ffkmmmfmmff211)/(1001021fmmf(4)(5)(6)2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.2 微梁彈性常數(shù)的實(shí)時標(biāo)定方法n通過分別測量微懸臂梁在空氣和密度已知的液體中的共振頻率來得到彈性常數(shù)的方法。 是液體密度，R是一個與微懸臂梁在液體和空氣中的共振頻率和液體密度有關(guān)的常數(shù)，f0和f分別是微懸臂梁在空氣和液體中的共振頻率。220220332ffffRk2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.3 微懸臂梁生物傳感系統(tǒng)的開發(fā) DSP系統(tǒng)框圖2006年4月生物傳感器的

29、微懸臂梁換能技術(shù)研究5.3 各部分的總體描述n 本系統(tǒng)采用的壓電微梁為美國Veeco公司的MPA-41200-10型號，基頻為50kHz，掃頻電路工作范圍設(shè)定在10kHz到100kHz之間，掃頻范圍的設(shè)定以及掃頻間隔的設(shè)定由PC通過串口傳送給DSP。n 壓電陶瓷、振動傳遞機(jī)構(gòu)、壓電微懸臂梁和前置放大電路一起組成了傳感器的測量探頭，這四個部分裝在一個金屬盒內(nèi)，構(gòu)成檢測探頭。n 掃頻電路輸出的掃頻激勵信號送到壓電陶瓷壓電陶瓷的輸入端，驅(qū)動壓電陶瓷上下振動，壓電陶瓷的上下振動傳送到壓電微懸臂梁，引起微懸梁的振動，由于鍍于其上的壓電層的壓電效應(yīng)，產(chǎn)生了壓電電流。n 壓電微懸臂梁產(chǎn)生的壓電電流非常小，必

30、須經(jīng)過前置放大電路，將微小的納米電流信號變?yōu)樽兂杀容^大的電壓信號，以供數(shù)據(jù)采集及與處理電路采集。n 信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與處理后，送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，包括共振頻率、電壓幅值和頻譜圖，直觀的給出系統(tǒng)的結(jié)果。n 系統(tǒng)中掃頻電路和信號數(shù)據(jù)采集與處理電路部分主要是由DSP來完成實(shí)完成現(xiàn)的，PC上位機(jī)軟件部分通過用VB編程實(shí)現(xiàn)的。2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.4 探頭和控制器2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.5 軟件流程圖和人機(jī)界面2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.6 品質(zhì)因數(shù)Q的理論研究0022p0pQ 的定義：021Q Q 決定了振動幅度； 高 Q 說

31、明每個振動周期內(nèi)振動系統(tǒng)的能量損失小。0Q2: 振動系統(tǒng)的時間常數(shù)振動系統(tǒng)的時間常數(shù) 高Q, 低的響應(yīng)速度； 低Q, 快的響應(yīng)速度。22resByQTBkkdydF0靈敏度靈敏度s:resy : 微梁尖端的均方根振幅；kBT: 熱能；B: 振動帶寬。 Q 限制了系統(tǒng)的帶寬； 低 Q 降低了系統(tǒng)的靈敏度； 高 Q 可提供靈敏度，但響應(yīng)速度降低。2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究Q的控制方法作用在微梁上的兩個力：F0 和 ：最初驅(qū)動信號的幅值和相位；G：放大倍數(shù)；：相移；y：微梁尖端的位置。函數(shù)發(fā)生器鎖相放大放大和相位 微梁反射鏡PSDLaserPZT stackCPU(PC, DSP

32、)可變移相器可變增益放大G+ 取取 ，可得，可得，2as dtdyyeti12所以，振動方程變?yōu)樗?，振動方程變?yōu)?tieFkydtdydtydm0*22G*yGeeFFiti002006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究基于DSP的品質(zhì)因數(shù)調(diào)控模塊2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.7 主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.7.1 前置放大電路的動態(tài)標(biāo)定(左上左上)頻率頻率1kHz (右上右上)頻率頻率10kHz(左下左下)頻率頻率100kHz (右下右下)頻率頻率500kHz不同頻率下電路的動態(tài)響應(yīng)不同頻率下電路的動態(tài)響應(yīng) 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.7.2 壓電陶瓷的振

33、動測試采用Polytec多普勒激光測振儀測出壓電陶瓷的振動，驅(qū)動電壓為1.5V。 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.7.3 微懸臂梁的振動特性測試(左上左上)電壓幅度電壓幅度0.5V; (右上右上)電壓幅度電壓幅度1.0V;(左下左下)電壓幅度電壓幅度1.5V; (右下右下)電壓幅度電壓幅度2.0V2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究（左）諧振頻率下的速度（左）諧振頻率下的速度/時間曲線時間曲線 ；(右右) 幅頻曲線幅頻曲線壓電探針壓電探針MPA-41200-10 2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.7.4 不同激勵方法下微梁的振動實(shí)驗(yàn)探針在兩種激振方法下振動的幅頻和相頻曲線探針在兩種激振方法下振動的幅頻和相頻曲線（左）壓電陶瓷管激振；（右）壓電薄膜激振（左）壓電陶瓷管激振；（右）壓電薄膜激振2006年4月生物傳感器的微懸臂梁換能技術(shù)研究5.7