生物传感器的微悬臂梁换能技术进展汇报

1、生物传感器的微悬臂梁生物传感器的微悬臂梁换能技术研究换能技术研究项目验收报告项目验收报告李艳宁天津大学精密仪器与光电子工程学院2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究汇报提纲1、基本信息2、微悬臂梁简介3、作为生物传感器换能元件的微梁的优势4、工作总结报告5、技术总结报告6、存在问题(进一步研究内容)7、国内外同类技术比对8、结论2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究1、基本信息n 项目名称：n 项目类别：天津科委应用基础研究面上项目n 项目编号 ：043601711 n 起止年限：2004. 4 2006.3 n 所属学科：自动化技术n 关键词：生物传感器，微悬臂梁，生物素亲和

2、素 n 研究内容及创新点和意义摘要 ： 以生物素亲和素体系BAS为分子识别机制，研究微悬臂梁生物传感器换能技术。通过检测带有压阻电极的微悬臂梁的频率响应进行定量检测。该种换能技术可达单分子灵敏度，结构精巧，它的研制成功可以用于构建多种生物传感器，为食品安全、临床检验、环境监测、反生物恐怖、生物芯片研制、蛋白质组学等领域的超微量分析提供先进的高科技检测手段。 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究2、微悬臂梁简介2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究 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月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究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月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究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月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Applications of microcantilevers As sensors AFM force sensor; Temperature, heat sensor; Medium viscosity sensor; Mass sensor; Stress sensor; Magnet

6、ic sensor. As actuatorsSchematics showing the microcantilever as sensors2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究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 in the microscopi

7、cal world. n Microcantilevers are used as springs in microworld. The most impressive of microcantielver?2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Review examples2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Detection of single electronM. Woodside and P. McEuen, Science 296, 1098 (2002). Coulomb oscillations as functions of Vtip(a), tip posi

8、tons(b), and feature changes with Vtip(c).(a) (b) (c)Detection principle2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究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 few attonewtons (10-

9、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月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究AFM anodic oxidationArray of parallel SiO2 linesAFM anodic oxidationJrg P. Kotthaus, nano

10、physics 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月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Mirki

11、n Group, Northwestern University, /mkngrp/dpn.htmDip-Pen nanolithography 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究AFM data storageP. Vettiger, M. Despont, U. Durig, etc., IBM Zurich Research Laboratory120 and 40 nm data bit of PMMA on SiMillipede Writing ReadingThermalmechanical reading

12、/writing;Polymer media with indentation bit;Millipede cantilever/tip array(4096);500GB/in2 density.2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究AFM manipulation of nanotubeshttp:/ the nanotubeBend the nanotubeStepwise positioning of a nanotube across an insulating barrier2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Biological sensing & manipu

13、lation(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月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Biological sensing & manipulation(2)R

14、ief 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 tenascin. Nature 1998, 393:18

15、1-185.Reversible unfolding of individual titinMeasurement principleSawtooth-like pattern showing the periodicity and unfolding forcesForcesExtension“Everything in biology is mechanical”2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Microcantilevers for MEMS (1)For accelerometershttp:/ structure ADs accelerometer 2006年4月生物传

16、感器的微悬臂梁换能技术研究Microcantilevers for MEMS (2 )For actuation/shortcourse/Lateral resonant microactuatorApplicaple to microfluidics2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究T. Mishra, Indian Institute of Technology, Kanpur, IndiaM. Carrozza, A. Eisinberg, A. Menciassi, et al., Scuola Superiore SantAnna -

17、 MiTech Lab, ItalyEuglena (Kim et al. JMEMS, 92)A simple design of microgripperMicrocantilevers for grippers (1)2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究http:/ Microcantilevers for grippers (2)2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Microcantilevers for grippers (3)K. Saitou and S. J. Wou, Department of Mechanical Engineering and App

18、lied Mechanics, University of MichiganSelective resonance and linear microvibromotorsThree-step Opteration2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Piezoelectric nanogenerators based on Zinc Oxide Nanowire Arrays2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究3、微梁作为生物传感器换能元件的优势n High sensitivity and resolution limits.n Small quantities (few u

19、l) 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 Easily integration with CMOS cir

20、cuitry and fluid handling systems.2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4、工作总结报告2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4.1 研究目标、预期成果及提供形式 n 研究目标：n 认识微悬臂梁在液体中的工作机理；n 建立微悬臂梁弹性常数的实时标定方法；n 开发出微悬臂梁在液体环境下的品质因数Q控制电路；n 设计并优化该类生物传感器的结构模型，研制微悬臂梁生物传感器原型机一台。n 预期研究成果：n 提出用于液体的微悬臂梁生物传感器的工作机理，从微悬臂梁在液体中的振动方程得出微悬臂梁的振动特性与弹性常数、有效质量以及液体物性参数间关系的数学模型，

21、得出品质因数Q与液体物性间的关系的数学模型；n 建立微悬臂梁弹性常数的实时标定方法；n 开发出微悬臂梁在液态环境下的品质因数Q控制电路和系统电路；n 提供形式：n 完成实验原型机一台。n 预计发表论文46篇，申请专利1项。 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4.2 课题执行情况与评价n 认识微悬臂梁的工作机理； 研究过程中，把微悬臂梁等效为“弹簧质量块”模型，建立了在受激状态下微悬臂梁在空气和液体中的振动方程。通过解析微悬臂梁的振动方程，从理论上认识了微悬臂梁在液体中受阻尼状态下的振动过程和工作机理。推导了相应的理论公式。这为微悬臂梁在生物传感器上的应用奠定了理论基础。 2006年

22、4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究n 建立微悬臂梁弹性常数的实时标定方法； 在认识微悬臂梁在液体中的基本工作机理的基础上，提出了一种快速、实时测定微悬臂梁弹性常数的基本方法。根据微悬臂梁弹性常数与液体粘度的基本关系，通过测量微悬臂梁在两种不同粘度的液体中的谐振频率，可以间接测量微悬臂梁的弹性常数。实验证明，这种方法的精度优于5。2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究n 开发出微悬臂梁的品质因数Q控制电路； 在理论和实验研究微悬臂梁的受激振动机理和品质因数调控理论和方法的基础上，设计开发了基于模拟技术的微悬臂梁品质因数调控电路。它主要包括两个模块，一个正反馈模块和一个锁相环模块。正反馈

23、模块用于增加微悬臂梁的品质因数；锁相环模块跟踪微悬臂梁的振幅、频率和相位，并通过一个可变移相器和一个可变增益放大器控制微悬臂梁振动的品质因数Q。 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究n 设计并优化该类生物传感器的结构模型，研制微悬臂梁生物传感器原型机一台。开发了微悬臂梁生物传感器的探头、驱动电路、信号放大和采集电路以及基于个人计算机的控制和显示系统。n 实际达到的技术指标： 检测极限（灵敏度）：10pg 频率分辨力： 0.5Hz(060kHz范围) 质量分辨力： 10pg2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4.3 成果推广应用前景的评价n 微悬臂梁生物传感器结构精巧，灵敏度

24、可达皮克(pg)量级。它的产业化可以在食品安全、临床检验、环境监测、生物反恐、生物芯片研制、蛋白质组学等领域产生巨大的经济效益。 n 作为一种极其重要的微纳传感和执行元件，微悬臂梁在微光机电系统、生化检测与分析等领域可以用于构建多种产品，如加速度计（可用于汽车的安全气囊）、微型压力传感器、微型手术刀和微型镊子、微流控芯片中的微阀门和微泵、生化传感器等，这些产品均有着广泛的应用和产业化前景。2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4.4 经费决算和经费使用评价n 项目总经费预算为6.0万元，市财政计划拨款6.0万元，实际开支为6.0万元。n 能源材料费开支为3.8万元，主要用于科研项目中的

25、压电微梁、DSP和单片机开发系统、电子元件和机电部件、生物样品等的购买；微梁尺寸标定、性能测试、电路和软件开发实验、应用实验等的测试分析费用；科研项目的水电费等。n 实验外协费为0.6万元，主要用于探头的机械加工、生物样品DNA和细胞的委托制备等、电路板的委托加工等。；n 租赁费0.1万元，用于样机开发过程中专用检测仪器的租赁。n 差旅费0.4万元，用于参加2004北京SPIE和深圳的微纳米技术学会。n 会议费0.6万元，用于两次学术会议的会费等的开支。n 信息费0.2万元，用于项目调研费、资料费、文献检索、网络费等等。n 管理费0.3万元用于公用仪器设备和房屋占用等方面的费用。 2006年4

26、月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4.5 人才培养、合作、论文和专利 n 培养了硕士研究生4名、本科生2名，在读研究生3名，在读博士生1名。n 国内合作：n 军事医学科学院卫生学环境医学研究所：高志贤 研究员n 国外合作n Peter Zeppenfeld博士，孙立东博士，奥地利林茨开普罗大学n Canh Minh-Tran博士, 法国圣安娜高级研究院n 吉海峰博士，美国路易斯安娜技术大学微加工研究所n 发表论文4篇，投稿1篇。申请国家发明专利3项。2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究4.6 存在的问题 n因实验条件限制，微悬臂梁传感器的应用实验以聚合物喷洒的检测取代了原计划的以BA

27、S（生物素抗生物素）为测量对象的实验。但实验结果说明了生物传感器的微悬臂梁换能技术的高灵敏度和简单、便携的优点。 nBAS的实验将在下一步与美国吉海峰博士的研究小组合作开展。2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5、技术总结报告2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5. 1 微悬臂梁动态检测方法的建立n以矩形微悬臂梁为研究对象，分别建立了在有阻尼（如液体）和受激有阻尼情况下的微悬臂梁的振动方程： 022*kydtdydtydmtiemFkydtdydtydm*022*(1)(2)2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究n微悬臂梁的谐振频率n质量变化与频率偏移的关系*021

28、mkf(3)11(420212ffkmmmfmmff211)/(1001021fmmf(4)(5)(6)2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.2 微梁弹性常数的实时标定方法n通过分别测量微悬臂梁在空气和密度已知的液体中的共振频率来得到弹性常数的方法。 是液体密度，R是一个与微悬臂梁在液体和空气中的共振频率和液体密度有关的常数，f0和f分别是微悬臂梁在空气和液体中的共振频率。220220332ffffRk2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.3 微悬臂梁生物传感系统的开发 DSP系统框图2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.3 各部分的总体描述n 本系统采用的

29、压电微梁为美国Veeco公司的MPA-41200-10型号，基频为50kHz，扫频电路工作范围设定在10kHz到100kHz之间，扫频范围的设定以及扫频间隔的设定由PC通过串口传送给DSP。n 压电陶瓷、振动传递机构、压电微悬臂梁和前置放大电路一起组成了传感器的测量探头，这四个部分装在一个金属盒内，构成检测探头。n 扫频电路输出的扫频激励信号送到压电陶瓷压电陶瓷的输入端，驱动压电陶瓷上下振动，压电陶瓷的上下振动传送到压电微悬臂梁，引起微悬梁的振动，由于镀于其上的压电层的压电效应，产生了压电电流。n 压电微悬臂梁产生的压电电流非常小，必须经过前置放大电路，将微小的纳米电流信号变为变成比较大的电压

30、信号，以供数据采集及与处理电路采集。n 信号经过数据采集与处理后，送到PC机进行显示，包括共振频率、电压幅值和频谱图，直观的给出系统的结果。n 系统中扫频电路和信号数据采集与处理电路部分主要是由DSP来完成实完成现的，PC上位机软件部分通过用VB编程实现的。2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.4 探头和控制器2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.5 软件流程图和人机界面2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.6 品质因数Q的理论研究0022p0pQ 的定义：021Q Q 决定了振动幅度； 高 Q 说明每个振动周期内振动系统的能量损失小。0Q2: 振动系统的时

31、间常数振动系统的时间常数 高Q, 低的响应速度； 低Q, 快的响应速度。22resByQTBkkdydF0灵敏度灵敏度s:resy : 微梁尖端的均方根振幅；kBT: 热能；B: 振动带宽。 Q 限制了系统的带宽； 低 Q 降低了系统的灵敏度； 高 Q 可提供灵敏度，但响应速度降低。2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究Q的控制方法作用在微梁上的两个力：F0 和 ：最初驱动信号的幅值和相位；G：放大倍数；：相移；y：微梁尖端的位置。函数发生器锁相放大放大和相位 微梁反射镜PSDLaserPZT stackCPU(PC, DSP)可变移相器可变增益放大G+ 取取 ，可得，可得，2as d

32、tdyyeti12所以，振动方程变为所以，振动方程变为:tieFkydtdydtydm0*22G*yGeeFFiti002006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究基于DSP的品质因数调控模块2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.7 主要实验结果5.7.1 前置放大电路的动态标定(左上左上)频率频率1kHz (右上右上)频率频率10kHz(左下左下)频率频率100kHz (右下右下)频率频率500kHz不同频率下电路的动态响应不同频率下电路的动态响应 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.7.2 压电陶瓷的振动测试采用Polytec多普勒激光测振仪测出压电陶瓷的振动，

33、驱动电压为1.5V。 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.7.3 微悬臂梁的振动特性测试(左上左上)电压幅度电压幅度0.5V; (右上右上)电压幅度电压幅度1.0V;(左下左下)电压幅度电压幅度1.5V; (右下右下)电压幅度电压幅度2.0V2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究（左）谐振频率下的速度（左）谐振频率下的速度/时间曲线时间曲线 ；(右右) 幅频曲线幅频曲线压电探针压电探针MPA-41200-10 2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.7.4 不同激励方法下微梁的振动实验探针在两种激振方法下振动的幅频和相频曲线探针在两种激振方法下振动的幅频和相频曲线（左）压电陶瓷管激振；（右）压电薄膜激振（左）压电陶瓷管激振；（右）压电薄膜激振2006年4月生物传感器的微悬臂梁换能技术研究5.7.5