一种新型微小质量检测的微悬臂梁装置

1.本发明主要涉及mems领域，尤其涉及一种新型微小质量检测的微悬臂梁装置。


背景技术：

2.随着纳米技术的不断发展，由于mems器件结构小，机械响应对外力非常敏感，在检测和传感器的应用非常广泛。微小质量的检测对于生物和化学传感以及一些基础学科的研究有着非常重要的意义，比如生物大分子、dna、化学气体、污染物等的检测。目前几种典型的检测方法是：光学设备法、电化学分析法、生物检测法、微/纳传感器检测法。
3.专利号为2016104117634的文献中公开了一种称量dna分子质量的微悬臂梁装置。它包括微悬臂梁、悬臂梁上下两侧的微位移传感器、dna分子吸附层。将待测dna分子放置于靠近悬臂梁自由端的dna分子吸附层的上表面，悬臂梁发生形变产生位移，根据微位移传感器得到悬臂梁的形变量，从而计算出分子质量。但是，这种微悬臂梁装置的dna分子吸附层加工复杂，且dna分子吸附层吸附 dna分子容易出现误差，微位移传感器的检测精度不够高，容易产生较大的误差。
4.专利号为201610408614的文献公开了一种利用共振原理测量dna分子质量的方法。它包括激振器、铰支座、微简支梁、微简支梁上的dna分子吸附层、待测量的dna分子、振幅接收器；通过激振器激励微简支梁自由振动,振幅接收器接检测相应的振幅和频率,进而计算出dna分子的质量。在微简支梁上的dna吸附层制作复杂，而且吸附效果难以控制，此外，大面积的吸附层会引起悬臂梁弹性系数变化，频率测量时会产生频率偏移，产生测量误差。
5.现有技术测试装置复杂，悬臂梁制作加工流程复杂，同时便携化程度低，因此，设计出一种新型微小质量检测的微悬臂梁装置具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的问题是:现有方法通过测定微小物体质量时，通过吸附方式吸附待检测物体，检测频率变化或者位移来确定微小物体的质量，检测装置复杂，制作工艺流程复杂，针对现有问题，可以考虑简化检测装置制程，采用更加简单的检测原理。
7.为了解决上述问题，本发明的技术方案为：
8.一种用于微小质量检测的微悬臂梁装置，包括悬臂梁装置、悬臂梁固定基板、电极板固定基板、垫片、电极距离调节用垫片、电极板，悬臂梁装置的固定端通过弹簧压片固定在悬臂梁固定基板上；电极板固定基板上设有垫片，垫片上设有电极距离调节用垫片，电极板置于电极距离调节用垫片上，并用弹簧压片固定在电极板固定基板上；电极板上溅射金属电极，并进行tsv贯穿通孔将金属电极引到电极板的下表面，电极距离调节用垫片为u形，不与电极板上的金属电极相接触；将电极板相对于电极板固定基板、垫片、电极距离调节用垫片向外延伸一部分自由端，该自由端和悬臂梁装置的微悬臂梁配合设置且置于微悬臂梁上方，一个电极从金属电极引出，另一个在悬臂梁装置上加工电极引出，采用阻抗分析仪或
微电容测试电路进行电容测量。
9.进一步，电极板固定基板与悬臂梁固定基板相同厚度。
10.进一步，电极距离调节用垫片采用矽钢精密间隙垫片，厚度可调，厚度大于等于5μm。
11.进一步，电极板的材料为玻璃或单晶硅。
12.进一步，悬臂梁装置内部含有微通道，悬臂梁装置上的微悬臂梁是采用单晶硅材料加工形成，所述悬臂梁内部的微通道用于放置待检测的微小质量物体，采用son工艺加工制作而成；同时微通道的形状可以根据实际需求来改变。
13.进一步，当微悬臂梁末端放入待检测物体时，受力产生形变，金属电极与悬臂梁装置上加工电极之间的距离发生变化，金属电极与悬臂梁装置上加工电极的引线连接到微小电容检测电路，微小电容检测电路检测电容变化；计算机系统是将微小电容检测电路的采集到的电容数据进行处理，把电容的变化与被检测物体质量对应起来，最终得出和显示被检测物体的质量。
14.本发明与现有技术相比，具有如下优点；
15.1.本发明的一种微小质量检测的微悬臂梁装置，含有由单晶硅组成的微悬臂梁、电极板装置、含有微小电容检测电路。微小质量物体作用于悬臂梁内部的微通道，引起悬臂梁产生形变，通过检测悬臂梁和电极板之间的电容变化，从而计算出微小质量物体的质量。
16.2.本发明相比吸附方式的质量检测方法，悬臂梁制作工艺和成本降低，能够提升生产效率，同时，微悬臂梁制作比带有吸附层的悬臂梁更简单，可靠性高。
17.3.本发明提供的检测装置使用方便，对悬臂梁检测时减少了对外部光学设备的依赖性，能够外出携带，实现移动检测，应用前景高。
18.4.本发明采用了不同于现有测量装置的测量原理，通过计算电容的方式来检测微小物体质量，检测装置灵敏度高，能定量反映悬臂梁的形变大小，提供绝对偏移。
19.5.本发明解决了传统微悬臂梁因为吸附检测物体引起悬臂梁弹性常数变化，在测量时产生频率偏移引起测量误差的问题，同时检测装置可集成性高，能有效减少测量误差。
附图说明
20.图1是本发明的一种用于微小质量检测的微悬臂梁插入电极板后的示意图；(a) 为待测悬臂梁装置；(b)为检测电极板装置；(c)为(a)的俯视图；(d)为(b) 的俯视图。
21.图2是本发明的一种用于微小质量检测的微悬臂梁装置系统的结构示意图。
22.图中，201-悬臂梁固定基板；202-悬臂梁；203-悬臂梁固定用弹簧压片；301—电极板固定基板；302-垫片；303-电极距离调节用垫片；304-电极板固定用弹簧压片；305-电极板上金属电极；306-电极板；3-微小电容检测电路。
23.图3是测试流程框图。
具体实施方式
24.以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
25.参见图1所示，本发明的一种用于微小质量检测的微悬臂梁装置与电极板结合示意图。图(c)是图(a)的俯视图，图(d)是图(b)的俯视图，图(a) 中悬臂梁装置通过弹簧压片
(203)固定在悬臂梁固定基板(201)上；图(b) 中的电极板固定基板(301)与悬臂梁固定基板(201)相同厚度，电极距离调节用垫片(303)置于垫片(302)上，采用矽钢精密间隙垫片，厚度可从5μm可调。电极板(306)置于电极距离调节用垫片(303)上，并用弹簧压片(304)固定在电极板固定基板(301)上。电极板(306)上溅射金属电极(305)，并进行 tsv贯穿通孔将金属电极引到电极板的表面。电极距离调节用垫片(303)为u 形，不与电极板上的金属电极相接触。电极板的材料可以为玻璃或单晶硅，图1 (d)所示为电极板为透明玻璃情况下的俯视图。
26.作为本发明的一个具体实施例，本发明的一种用于微小质量检测的微悬臂梁，其内部可以为带有微通道，微通道的形状可以根据实际需要进行加工。微通道采用son工艺加工制作而成。微悬臂梁由单晶硅加工制作而成。
27.本发明的一种用于微小质量检测的微悬臂梁放入待检测微小质量物体，受力产生形变。被检测物体放置于微悬臂内部的微通道中，放入被检测物体后，微悬臂梁会受力产生形变形变。
28.参见图2所示，本发明提出的一种用于微小质量检测的微悬臂梁装置系统，测试时将图1(b)图与图1(a)图所示装置置于同一平台，将电极板置于悬臂梁上，一个电极从金属电极(305)引出，另一个在悬臂梁上加工电极引出，可以用阻抗分析仪或微电容测试电路进行电容测量。
29.微悬臂梁在未放入检测物体时，微悬臂梁尚未发生形变，距离电极板金属电极(305)的距离为d。电极与悬臂梁表面的距离可以通过电极距离调节用垫片 (303)调节，更换不同厚度的垫片可以精确调节间距d。悬臂梁由低电阻率的单晶硅制作，可由探针进行引线输出，电极板上从电极板表面的金属电极(305) 引线，2个引线间通过导线连接至微小电容检测电路(3)。通过微小电容检测电路(3)与计算机处理系统相连，会得到电极板与微悬臂梁构成的平行板电容器电容值,记为c0。微悬臂梁在放入待检测物体后，会产生微小的弯曲与形变，记为δd。微悬臂梁变形后与电极板金属电极之间的电容值曲与形变，记为δd。微悬臂梁变形后与电极板金属电极之间的电容值通过检测微悬臂梁放入待检测物体后的电容值，再通过计算机系统的数据处理，能够得出微悬臂梁上物体质量。具体的计算机处理过程包括了标定的过程和测量过程，处理的流程框图如图3所示。用标准质量的粒子作用到已知悬臂梁的几个固定位置处，根据测得电容，描绘电容和质量的曲线，及电容与悬臂梁位置的关系曲线，然后根据曲线得到电容与质量和在梁上作用位置的拟合关系式；测量的时候，根据测到的电容及质量在悬臂梁的作用位置，带入拟合关系式中得到待测质量。