微悬臂梁传感器在气体检测方面的应用

赵丹 沈阳计量测试院

传感器是一种可以获取有用信息并将其转换成可用信号（光信号、电信号）的特殊装置，它在信息处理系统中占有十分重要的地位，广泛应用于生产、科研和生活的各个领域。气体检测在人们生产生活中的应用十分广泛，特别是在安全生产方面，如，矿井作业、毒气的生产运输。气体传感器直接关系到人们的生命财产安全。微机电系统（MEMS）技术是基于微电子技术的微器件加工制造方法，其中悬臂梁结构是最简单的微结构，利用它可以探测到极小的位移或质量的变化，这使得微悬臂梁成为高精度高灵敏气体传感器的理想选择。空气质量问题是社会问题中急需解决的一大难题，解决这一难题的一个关键点是对空气中气体分子的准确分析。本文综述了微悬臂梁传感器在气体检测方面的应用，包括一般性气体，爆炸性气体和有毒有害气体，并分析了使用局限性，为今后的气体传感器的深入研究提供了新方法。

一、工作原理

微悬臂梁传感器以其体积小、成本低、灵敏度高等优点获得了越来越多的研究与应用，为生化物质的检测提供了一种新方法，具有诱人的应用前景和很大的市场潜力。但是微悬臂梁传感器还存在许多问题，如检测的可靠性与灵敏度有待提高，如何实现定量分析等。微悬臂梁传感器的一个重要发展方向是将其与分析化学、计算机、电子学、材料科学与生物学、医学等交叉，可以组建芯片实验室，实现化学分析检测，有可能导致化学分析领域的一场革命。基于微悬臂梁气体传感器已经显示出了优越的性能，它们的主要优点在于高精度、低功耗、与IC工艺兼容易于实现、成本低、体积小易于操作、能实现阵列化等。到目前为止，微悬臂梁谐振式气体传感器的精度已经可以和其他传统的气体检测方式相媲美，阵列化是基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的无可比拟的优势，它可以提高检测精度，还可以用来实现多种气体的同时测量。因此，基于单芯片集成的电学检测方法、高选择性和可重复性的敏感层、增大阵列（＞100甚至成千上万）是当前微悬臂梁谐振式气体传感器发展的主要方向。现阶段制约微悬臂梁谐振式气体传感器发展的主要问题在于悬臂梁的表面修饰即敏感层材料的选取和敏感层制作。目前，由于可用的优良的化学试剂有限，悬臂梁传感器的发展需要更成熟的表面修饰技术和理论支持；另一方面，到目前为止基于悬臂梁的传感器还没有得到广泛应用的成熟的产品问世。但大批的科研工作者们正积极从事于悬臂梁的表面修饰和气体敏感膜的研究，这无疑展示了基于微悬臂梁的谐振式传感器的市场价值。可以确信，基于微悬臂梁的谐振式气体传感器必将会得到广泛的应用。微悬臂梁传感器[1]是一种可以获取有用信息并将其转换成可用信号的高精度微型传感装置。通过将梁表面接收到的信息转化成梁的应力形变，或者促使悬臂梁共振频率偏移，将这一变化通过光学或电学的读出方法转为可视信号，利用计算机进行分析处理。

二、工作模式

微悬臂梁[2]应用于气体检测主要有两种工作模式：静态模式和动态模式。

（一）静态工作模式

静态模式是通过改变梁表面应力实现，具体方法为：将一种可以与待测物质分子发生特异性结合的分子预先修饰在悬臂梁表面的一侧，当梁处于包含待测物质分子的环境中时，两种分子发生结合反应，导致了梁表面应力发生改变，使悬臂梁产生弯曲变化。

（二）动态工作模式

动态模式是通过测量梁表面质量微小变化实现。质量变化影响梁的共振频率，梁表面的质量增加，促使其共振频率减小，通过测量频率的变化值即可获知吸附物的质量大小。

三、传感器在气体检测方面的应用

（一）一般性气体检测

微悬臂梁传感器对气体进行定量检测是一个热点研究方向。2011年，Jin等人在悬臂梁自由端涂上活性炭后，研究了悬臂共振频率和二氧化碳压力的关系。2014年，Kim等人研制了一种高灵敏度悬臂型化学机械氢传感器，可检测浓度高达4%氮气中稀释的氢。2018年，Lv等人用重力型传感材料，采用共振微悬臂梁传感器实现了对10ppbco的灵敏检测。

（二）爆炸性气体检测

爆炸性气体会对人类的生命财产安全带来巨大隐患，如何有效地对其定量检测是迫切需要解决的题。2004年，Pinnaduwage等人对DNT、TNT等爆炸性气体进行了检测。2010年，Xu等人用于研制了用于检测三硝基甲苯（TNT）蒸气的多壁碳纳米管改性共振微悬臂梁化学传感器。实验显示快速检测ppb水平的TNT蒸气的能力，以及功能化基团对TNT分子的高度特异性。2011年，Zhu等人将一种比色受体四硫富勒烯官能化吡咯与一种聚酰亚胺微反杠杆结合在一起，可检测10ppb三硝基苯蒸气。

（三）有毒气体检测

有毒气体在空气中凝结会对人的皮肤产生刺激作用，导致过敏等症状，严重会导致病变。2006年，Porter[7]等人用嵌入式压阻式微悬臂梁传感器来检测氰化氢气体。2015年，Ju[8]等人利用组合肽库和一个石墨表面或苯基端接自组装单层作为相关的靶表面，实现了定量检测苯、甲苯和二甲苯亚ppm水平检测。2016年，Wang等人研究了一种基于纳米敏感材料和MEMS技术的新型煤油气体传感器，具有较高的灵敏度和线性度。

四、展望

未来可将微悬臂梁传感技术与纳米技术和软物质技术相结合，致力于发展多选择性、高稳定性和耐用性的柔性传感器。

五、结论

随着微加工技术的提高与薄膜技术的发展，近几年微机电系统传感器在气体检测方面受到广泛关注。由于分子的吸附而导致的微悬臂梁弯曲偏转量的变化主要是由于分子吸附在微悬臂梁表面后，在上下表面产生了不同的应力。分子吸附在悬臂梁表面之前，悬臂梁上表面和下表面的应力处于平衡，产生一个沿着微悬臂梁中间平面的径向力，当分子吸附到微悬臂梁上下表面后，它们对上下表面应力的影响不一样，基于悬臂梁弯曲的测量方法在生物和化学探测中更具有吸引力。