考慮殘余應(yīng)力影響的諧振式生化傳感器微膜動態(tài)特性研究.pdf

1、諧振式微膜生化傳感器是MEMS中的重要研究領(lǐng)域，在微生物檢驗(yàn)、化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。諧振式微膜生化傳感器的靈敏度、分辨率等檢測性能主要依賴于微膜的動態(tài)特性，然而，由于微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和微環(huán)境的影響，微膜的動態(tài)特性與宏觀尺寸下的特性有很大的差異:微膜通常采用表面硅微加工方法制造，在制造過程中會不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)力;吸附會影響微膜的彎曲剛度;微尺度下，液體介質(zhì)對微膜的耦合作用更加明顯。因此，對微膜的動態(tài)特性進(jìn)

2、行研究，分析殘余應(yīng)力、吸附物和被檢測介質(zhì)對微膜動態(tài)特性的影響規(guī)律，對于諧振式微膜生化傳感器的發(fā)展具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　考慮微膜結(jié)構(gòu)和制造工藝，分析了殘余應(yīng)力在復(fù)合膜中的分布狀態(tài)，探討了改善復(fù)合膜壓曲，提高諧振式微膜生化傳感器可靠性和成品率的方法。通過分析，將復(fù)合膜內(nèi)的殘余應(yīng)力等效為均勻分布在微膜平面內(nèi)的應(yīng)力和彎矩載荷，利用Ritz法計算了具有均布面內(nèi)應(yīng)力的復(fù)合膜在彎矩載荷作用下的彎曲變形。采用等效經(jīng)典理論分析復(fù)合膜的

3、振動特性，建立了具有面內(nèi)初始?xì)堄鄳?yīng)力的曲膜數(shù)學(xué)模型，研究了面內(nèi)應(yīng)力和彎曲變形對微膜固有頻率的影響。結(jié)果表明:殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)對微膜的固有頻率和彎曲變形有顯著的影響。
　　針對存在殘余應(yīng)力的微膜在力學(xué)行為上具有微板和微薄膜的雙重性，根據(jù)理論分析模型，導(dǎo)出了其在固支邊界條件下的解析解;用殘余應(yīng)力參數(shù)k值判定微膜的性質(zhì)，分析了隨著殘余應(yīng)力的變化板、膜行為特性的轉(zhuǎn)變規(guī)律;研究了殘余應(yīng)力的變化對微膜固有頻率、振型及振幅的影響規(guī)律。

4、　　微膜表面上的敏感層在吸附目標(biāo)物質(zhì)后，微膜的質(zhì)量、剛度均會發(fā)生變化。敏感層的涂覆區(qū)域決定著吸附物的分布，考慮整體均勻吸附和局部均勻吸附兩種情況，采用階躍函數(shù)描述吸附區(qū)域，建立了描述吸附物影響的微膜動力學(xué)方程;利用Rayleigh-Ritz法求解了吸附后微膜的固有頻率，分析了殘余應(yīng)力、吸附分布、吸附質(zhì)量和吸附剛度對微膜固有頻率偏移量的影響。
　　針對液態(tài)生化檢測技術(shù)發(fā)展的需要，考慮微膜與液體介質(zhì)的耦合作用，研究了微膜在液體介質(zhì)中的

5、自振特性。當(dāng)微膜與液體介質(zhì)接觸振動時，用具有殘余應(yīng)力微膜的動力學(xué)方程描述微膜的運(yùn)動，用拉普拉斯方程描述液體的運(yùn)動，用液體與微膜接觸面的法向速度相等來處理微膜與液體的耦合作用，分別采用假設(shè)振型法和Rayleigh-Ritz法求解了微膜在液體中的自由振動，分析了殘余應(yīng)力、液體介質(zhì)對微膜固有頻率和振型的影響。結(jié)果表明:采用Rayleigh-Ritz法計算的固有頻率具有更高的精度;與真空條件下相比，在液體中振動時振型的變化隨殘余應(yīng)力的減小而越發(fā)

6、明顯。
　　針對諧振式微膜生化傳感器的結(jié)構(gòu)形式，選取微膜單側(cè)面接觸半無限流體，建立了微膜的液固耦合動力學(xué)響應(yīng)模型;探討了微膜在振動過程中的能量耗散機(jī)理和阻尼特性;研究了微膜在液態(tài)介質(zhì)中的響應(yīng)特性。結(jié)果表明:殘余應(yīng)力對品質(zhì)因子具有顯著的影響;液體介質(zhì)對膜的影響要遠(yuǎn)大于對薄板的影響;隨著殘余應(yīng)力的增加，諧振式微膜生化傳感器的質(zhì)量靈敏度與圓膜中心處的振動位移呈現(xiàn)相反的變化趨勢。
　　本文綜合考慮殘余應(yīng)力、吸附物和液體介質(zhì)的影響，對