论文部分内容阅读
传统微悬臂梁传感器液相检测大多将其置于盛有待测试样的特制载物台,然后借助原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)系统测量微悬臂梁偏转量实现对待测试样的液相检测。该过程无法发挥微悬臂梁体积小、快速便捷检测、易于集成等优势,还限制了微悬臂梁传感器的应用场景。微流控芯片检测技术具有灵敏度高、检测限低、易于集成且兼容性优良等显著优势,能广泛应用于化学、物理以及生物等检测领域。为了满足微悬臂梁实时化、便携式检测需求,以微悬臂梁传感器为核心,定制化设计微流控芯片结构是微悬臂梁传感器摆脱实验室条件限制,拓展检测应用领域的理想方案。但在微悬臂梁与微流控芯片联用过程中,芯片内的液相环境及流体流动将对微悬臂梁的偏转、动态响应、模态及频率响应等与检测结果密切相关的参数产生影响。针对集成化应用过程中存在的上述问题,本文以课题组前期工作中设计的具备压电自驱动和压阻自感知功能的微悬臂梁传感器为核心,以微纳流体运动方程及扩散传质方程为基础,利用COMSOL Multiphysics软件建立微悬臂梁片上静态和动态检测模型。基于微悬臂梁片上静态检测模型,研究了待测试样流速、微通道形貌尺寸、检测池形貌及传感器固定角度对检测结果的影响;基于微悬臂梁片上动态检测模型,研究了待测试样流速、液相阻尼环境对微悬臂梁动态响应特性及检测结果的影响。基于仿真结果确定了以微悬臂梁传感器为核心的微流控芯片结构及其工作条件如下:静态检测时,检测池的微通道为直径80μm的圆形;检测池形貌为梯形,其上底280μm,下底180μm,高280μm;传感器固定角度为0°;待测试样流速小于4.71μl/min。动态检测时,与空气环境相比,微悬臂梁振幅在液相环境中下降20%;液相环境下微悬臂梁动态激励频率区间为50 kHz~78kHz,典型值67.8 kHz;空气环境下微悬臂梁动态激励频率区间为115 kHz~132 kHz,典型值124 kHz;待测试样流速、检测池形貌和通道形貌尺寸与静态检测结论相同。最后,根据以微悬臂梁传感器为核心的微流控芯片结构特点,结合面投影微立体光刻的3D打印技术优势,提出了芯片预处理和制备方案,并成功试制了芯片样片。以微悬臂梁传感器为核心的微流控芯片可进一步拓展微悬臂梁传感器的检测领域,集成化微悬臂梁传感器的实现与应用对MEMS技术的提升有着重要的现实意义。