薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
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Ｖａｓｉｌｉｋｉ等【６Ｊ设计了用于检测生物素．抗生蛋白链
液中形成具有特异性结合的Ａｕ—Ｓ键固定探针分
子，因此被用于覆盖在ＰＤＭＳ微薄膜上制作电容传 感器的上电极；Ｓｉ具有优良的介电性能。作为基底 材料。当传感器上电极的探针分子与目标物发生生 物化学反应时，分子间作用力将导致薄膜表面应力
改变，使Ａｕ－ＰＤＭＳ应变膜发生形变，引起两电极间 距产生变化（图ｌ中Ａｄ），从而使输出电容改变，进
内的ＢｉｏＭＥＭＳ得以迅速发展，并对生物医学检测及 诊断产生了巨大的革新和推动作用。ＢｉｏＭＥＭＳ继承 了ＭＥＭＳ技术小型化、便携式、高集成和低成本的
基于表面应力的ＭＥＭＳ生物传感器，是一种新 型的ＢｉｏＭＥＭＳ生物传感器，其利用分子问化学键的 结合能进行传感，具有很高的检测精度和灵敏度。 当前国内外表面应力生物传感器主要基于悬臂梁或 微薄膜两种结构【２ｌ，它们可制成平行排列的阵列ｐ Ｊ， 形成多个独立的并具有不同表面功能化的高灵敏度
电极间距较小可增大传感器输出初始电容，提高传 感器灵敏度，但间距太小会导致ＰＤＭＳ薄膜与底电
并且无毒，非常适合作为生物传感应变膜。Ｓａｎｇ掣８】
设计了利用ＰＤＭＳ微薄膜作传感膜的表面应力生物
传感器，采用白光干涉法来测量薄膜加载待测物前 后的形变量，具有良好的检测灵敏度，但笨重的光 学检测仪器限制了其小型化的应用。 综上所述，笔者提出运用聚合物ＰＤＭＳ薄膜作 为应变单元的电容式表面应力生物传感器，为了简 化传感器设计过程并优化其性能，笔者采用有限元
聚二甲基硅氧烷）微薄膜的电容式表面应力生物传感器，分析了其基本结构原理及优点，并运用ＡＮＳＹＳ软件建立 了传感器仿真模型，对相同表面应力下，Ａｕ电极大小不同的薄膜形变进行了仿真，计算输出电容。结果表明，薄 膜形变量及电容改变量与Ａｕ电极在ＰＤＭＳ薄膜上的覆盖率有关，通过比较输出电容改变量与薄膜形变之间的关系，
得出了传感器最优结构尺寸。
关键词：生物传感器；表面应力；微薄膜；聚二甲基硅氧烷；电容结构；有限元仿真
ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００１—２０２８．２０１３．１０．０１７ 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．２０２８（２０１３）１０－００６２．０４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ—－ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
浸入检测样本溶液中时，容易在电极间产生感应电
步开发便携式、高灵敏的薄膜电容式表面应力生物 传感器奠定了理论基础。
１
原理分析及结构参数设计
１．１原理分析
基于ＰＤＭＳ微薄膜的电容式表面应力生物传感 器模型如图１所示，传感单元由上电极Ａｕ、ＰＤＭＳ
微薄膜、空气腔及底电极组成【ｌⅢ，Ａｕ薄层可在醇溶
流，并且悬臂梁背面会有一定的非特定吸附，从而 使输出电容噪声较大，影响测量精度；而电极密封的 薄膜电容结构只有上电极会与待测物接触，电容腔体 不受待测溶液的影响，可以克服悬臂梁结构的不足， 进行精确可靠的检测。因此，研究薄膜电容结构为开 发高精度便携式生物传感器提供了新的思路。
而通过测量电容变化量可检测目标样本的浓度。
对三种不同官能团（一ＣＯＯＨ，一ＣＨ３，一ＯＨ）进
行了检测。然而，传感器的灵敏度与应变单元材料 的机械硬度有关，应变单元材料的杨氏模量Ｅ越大， 机械硬度越大，一定表面应力下其形变越小，灵敏 度越低；反之灵敏度越高。因此，测量小应变时选
Ｆｉｇ．１
图ｌ
洱膜电容式表面应力生物传感器结构原理图
特点，具有微米一纳米量级的特征尺寸，可实现对细 胞、ＤＮＡ、蛋白质分子及新型药物等智能、快速、 准确的检测诊断【ｌ】。
传感单元，实现同时检测；其功能化的敏感物质与 待测样本分子作用而产生表面应力，使悬臂梁或薄
收稿日期：２０１３－０７．２４ 通讯作者：桑胜波 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５１１０５２６７） 作者简介：桑胜波（１９７９－－），男，山东菏泽人，副教授，博士，研究方向为生物微机电，Ｅ－ｍａｉｈ ｍｎｓｒｃ＿ｔｙｕｔ＠１６３．ｃｏｒｎ； 石强（１９８８－－），男，山西大同人，研究生，主要从事生物传感器敏感薄膜制作工艺研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｑ０２７７＠ｌｉｎｋ．ｔｙｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
网络出版时间：２０１３—０９．２７ ０９：３８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５１．１２４１．ＴＮ，２０１３０９２７．０９３８．００１．ｈｔｍｌ
万方数据
第３２卷第ｌＯ期
石强等：薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
６３
膜发生微纳米量级的形变响应。这种形变响应通常 利用白光干涉和激光干涉等光学方法或压阻效应进 行检测【４】，然而光学检测需要昂贵复杂的检测仪器， 且很难进行非透明生物样本溶液的检测，压阻效应 检测方式又容易产生较大的热漂移，不利于制作高 精度、便携式生物传感器。电容检测可获得较高的 灵敏度并且易实现集成【５】。但当悬臂梁电容结构完全
２
蒯 俄 巷 谗 脚
制 爸 簪 段
∽
＝
凸 山
＝
《
结果与分析
图２
传感器Ａｕ电极边长／ｌａｉｎ ＰＤＭＳ薄膜边长为４００“ｍ时。Ａｕ．ＰＤＭＳ薄膜中心偏转及屯容改变 量随Ａｕ电极大小变化曲线 Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆＡｕ—ＰＤＭＳ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｃｅｎｔｅｒ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｉｇ．２
第３２卷第１０期 ２０１３年ｌＯ月
电
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ
子
元 件 与 材 料 ＣｏＭＰＯＮＥＮＴＳ ＡＮＤ ＭＡＴＥＩＵＡＬＳ
Ｖｂｌ．３２ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１３
薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
石强，桑胜波，奉辉，赵媛
（太原理工大学信息工程学院，山西太原０３００２４）
摘要：在总结传统微悬臂梁表面应力生物传感方法缺陷的基础上，提出了基于ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ；ｍｉｃｒｏ ｍｅｍｂｒａｎｅ；ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ
日渐成熟的ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，微机电系统）技术使包括生物微传感器在
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｎ
ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ・－ｂａｓｅｄ ｍｉｃｒｏ・・ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ，ａ
ｓｔｒｅｓｓ—ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ（ＰＤＭＳ）ｍｉｃｒｏ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ
ｓｔｒｅｓｓ
ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ
ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ’Ｓ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ・ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｃｍｂｍｎｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ
１．２结构参数设计 传感器结构设计的目标是使输出信号最大，也 就是在一些约束条件（如加工工艺、微流体结构或 器件大小）满足的情况下，通过研究传感器最优的
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｏｆ ｔｈｉｓ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａ ３－Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
Ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ＡＮＳＹＳ。Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ｏｆ Ａｕ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｕｎｄｅｒ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ
ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｓ￡ｇ ｃｈａｎｇｅｓ（￡ｐ＝４００“ｍ）
２．１仿真建模
有限元分析模型包括电极Ａｕ、ＰＤＭＳ薄膜和空 气腔，其各部分相关参数如表１所示。在ＡＮＳＹＳ有 限元仿真软件中，表面应力无法直接加载，因此，利 用一种新的方法：等效温度载荷来模拟表面应力［１１】，
菌素的超薄Ｓｉ膜电容式生物传感器。当超薄Ｓｉ膜表 面功能化的探针分子与其对应的目标物发生相互作 用时，超薄Ｓｉ膜的表面应力生物会导致Ｓｉ膜产生形 变，从而使器件输出电容改变，利用ｂｉｏｔｉｎ－ＮＨＳ探 针可成功检测浓度为２．１ｘ１０－８ｍｏｌ／Ｌ的抗生蛋白链菌 素目标分子。Ｓｒｉｎａｔｈ等［Ｔｊ提出了ｐａｒｙｌｅｎｅ（聚对二甲 苯）薄膜表面应力生物传感器并在化学物质测试中
膜的形变６大小正比于（肌）２，因此，ＰＤＭＳ薄膜要
尽可能薄；由于Ａｕ的杨氏模量很大，容易对ＰＤＭＳ
万方数据
Ｖｂｌ．３２ Ｎｏ．１０
石强等：薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
０ｃｔ．２０１３
薄膜的偏转产生抵消作用，影响传感器电容变化量， 所以Ａｕ电极也要尽可能薄，以提高传感器灵敏度。 结合目前微加工工艺，ＰＤＭＳ薄膜厚度（ｆＤ）和Ａｕ
高，且杨氏模量大小与其加工工艺有着一定的关系， 可通过工艺研究使其探测灵敏度最大化，利于分析 检测；而且成本低，使用简单，同硅片之间具有良 好的粘附性，具有良好的化学惰性和生物相容性，
式中：ｓ为电容极板间介质的介电常数：Ａ为两平行 板正对面积；ｄ为两平行板间距离。传感器输出电容 变化量近似与电极尺寸成正比，与电极间距成反比。
结构尺寸使得在一定表面应力作用下，传感器输出 电容Ｃ变化量最大。根据平行板电容器原理公式： Ｃ＝叫／ｄ
液中形成具有特异性结合的Ａｕ—Ｓ键固定探针分
子，因此被用于覆盖在ＰＤＭＳ微薄膜上制作电容传 感器的上电极；Ｓｉ具有优良的介电性能。作为基底 材料。当传感器上电极的探针分子与目标物发生生 物化学反应时，分子间作用力将导致薄膜表面应力
改变，使Ａｕ－ＰＤＭＳ应变膜发生形变，引起两电极间 距产生变化（图ｌ中Ａｄ），从而使输出电容改变，进
内的ＢｉｏＭＥＭＳ得以迅速发展，并对生物医学检测及 诊断产生了巨大的革新和推动作用。ＢｉｏＭＥＭＳ继承 了ＭＥＭＳ技术小型化、便携式、高集成和低成本的
基于表面应力的ＭＥＭＳ生物传感器，是一种新 型的ＢｉｏＭＥＭＳ生物传感器，其利用分子问化学键的 结合能进行传感，具有很高的检测精度和灵敏度。 当前国内外表面应力生物传感器主要基于悬臂梁或 微薄膜两种结构【２ｌ，它们可制成平行排列的阵列ｐ Ｊ， 形成多个独立的并具有不同表面功能化的高灵敏度
电极间距较小可增大传感器输出初始电容，提高传 感器灵敏度，但间距太小会导致ＰＤＭＳ薄膜与底电
并且无毒，非常适合作为生物传感应变膜。Ｓａｎｇ掣８】
设计了利用ＰＤＭＳ微薄膜作传感膜的表面应力生物
传感器，采用白光干涉法来测量薄膜加载待测物前 后的形变量，具有良好的检测灵敏度，但笨重的光 学检测仪器限制了其小型化的应用。 综上所述，笔者提出运用聚合物ＰＤＭＳ薄膜作 为应变单元的电容式表面应力生物传感器，为了简 化传感器设计过程并优化其性能，笔者采用有限元
聚二甲基硅氧烷）微薄膜的电容式表面应力生物传感器，分析了其基本结构原理及优点，并运用ＡＮＳＹＳ软件建立 了传感器仿真模型，对相同表面应力下，Ａｕ电极大小不同的薄膜形变进行了仿真，计算输出电容。结果表明，薄 膜形变量及电容改变量与Ａｕ电极在ＰＤＭＳ薄膜上的覆盖率有关，通过比较输出电容改变量与薄膜形变之间的关系，
得出了传感器最优结构尺寸。
关键词：生物传感器；表面应力；微薄膜；聚二甲基硅氧烷；电容结构；有限元仿真
ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００１—２０２８．２０１３．１０．０１７ 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．２０２８（２０１３）１０－００６２．０４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ—－ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
浸入检测样本溶液中时，容易在电极间产生感应电
步开发便携式、高灵敏的薄膜电容式表面应力生物 传感器奠定了理论基础。
１
原理分析及结构参数设计
１．１原理分析
基于ＰＤＭＳ微薄膜的电容式表面应力生物传感 器模型如图１所示，传感单元由上电极Ａｕ、ＰＤＭＳ
微薄膜、空气腔及底电极组成【ｌⅢ，Ａｕ薄层可在醇溶
流，并且悬臂梁背面会有一定的非特定吸附，从而 使输出电容噪声较大，影响测量精度；而电极密封的 薄膜电容结构只有上电极会与待测物接触，电容腔体 不受待测溶液的影响，可以克服悬臂梁结构的不足， 进行精确可靠的检测。因此，研究薄膜电容结构为开 发高精度便携式生物传感器提供了新的思路。
而通过测量电容变化量可检测目标样本的浓度。
对三种不同官能团（一ＣＯＯＨ，一ＣＨ３，一ＯＨ）进
行了检测。然而，传感器的灵敏度与应变单元材料 的机械硬度有关，应变单元材料的杨氏模量Ｅ越大， 机械硬度越大，一定表面应力下其形变越小，灵敏 度越低；反之灵敏度越高。因此，测量小应变时选
Ｆｉｇ．１
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洱膜电容式表面应力生物传感器结构原理图
特点，具有微米一纳米量级的特征尺寸，可实现对细 胞、ＤＮＡ、蛋白质分子及新型药物等智能、快速、 准确的检测诊断【ｌ】。
传感单元，实现同时检测；其功能化的敏感物质与 待测样本分子作用而产生表面应力，使悬臂梁或薄
收稿日期：２０１３－０７．２４ 通讯作者：桑胜波 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５１１０５２６７） 作者简介：桑胜波（１９７９－－），男，山东菏泽人，副教授，博士，研究方向为生物微机电，Ｅ－ｍａｉｈ ｍｎｓｒｃ＿ｔｙｕｔ＠１６３．ｃｏｒｎ； 石强（１９８８－－），男，山西大同人，研究生，主要从事生物传感器敏感薄膜制作工艺研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｑ０２７７＠ｌｉｎｋ．ｔｙｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
网络出版时间：２０１３—０９．２７ ０９：３８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５１．１２４１．ＴＮ，２０１３０９２７．０９３８．００１．ｈｔｍｌ
万方数据
第３２卷第ｌＯ期
石强等：薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
６３
膜发生微纳米量级的形变响应。这种形变响应通常 利用白光干涉和激光干涉等光学方法或压阻效应进 行检测【４】，然而光学检测需要昂贵复杂的检测仪器， 且很难进行非透明生物样本溶液的检测，压阻效应 检测方式又容易产生较大的热漂移，不利于制作高 精度、便携式生物传感器。电容检测可获得较高的 灵敏度并且易实现集成【５】。但当悬臂梁电容结构完全
２
蒯 俄 巷 谗 脚
制 爸 簪 段
∽
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凸 山
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《
结果与分析
图２
传感器Ａｕ电极边长／ｌａｉｎ ＰＤＭＳ薄膜边长为４００“ｍ时。Ａｕ．ＰＤＭＳ薄膜中心偏转及屯容改变 量随Ａｕ电极大小变化曲线 Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆＡｕ—ＰＤＭＳ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｃｅｎｔｅｒ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｉｇ．２
第３２卷第１０期 ２０１３年ｌＯ月
电
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ
子
元 件 与 材 料 ＣｏＭＰＯＮＥＮＴＳ ＡＮＤ ＭＡＴＥＩＵＡＬＳ
Ｖｂｌ．３２ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１３
薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
石强，桑胜波，奉辉，赵媛
（太原理工大学信息工程学院，山西太原０３００２４）
摘要：在总结传统微悬臂梁表面应力生物传感方法缺陷的基础上，提出了基于ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ；ｍｉｃｒｏ ｍｅｍｂｒａｎｅ；ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ
日渐成熟的ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，微机电系统）技术使包括生物微传感器在
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｎ
ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ・－ｂａｓｅｄ ｍｉｃｒｏ・・ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ，ａ
ｓｔｒｅｓｓ—ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ（ＰＤＭＳ）ｍｉｃｒｏ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ
ｓｔｒｅｓｓ
ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ
ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ’Ｓ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｓｓ・ｂａｓｅｄ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｃｍｂｍｎｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ
１．２结构参数设计 传感器结构设计的目标是使输出信号最大，也 就是在一些约束条件（如加工工艺、微流体结构或 器件大小）满足的情况下，通过研究传感器最优的
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｏｆ ｔｈｉｓ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａ ３－Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
Ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ＡＮＳＹＳ。Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ｏｆ Ａｕ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｕｎｄｅｒ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ
ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｓ￡ｇ ｃｈａｎｇｅｓ（￡ｐ＝４００“ｍ）
２．１仿真建模
有限元分析模型包括电极Ａｕ、ＰＤＭＳ薄膜和空 气腔，其各部分相关参数如表１所示。在ＡＮＳＹＳ有 限元仿真软件中，表面应力无法直接加载，因此，利 用一种新的方法：等效温度载荷来模拟表面应力［１１】，
菌素的超薄Ｓｉ膜电容式生物传感器。当超薄Ｓｉ膜表 面功能化的探针分子与其对应的目标物发生相互作 用时，超薄Ｓｉ膜的表面应力生物会导致Ｓｉ膜产生形 变，从而使器件输出电容改变，利用ｂｉｏｔｉｎ－ＮＨＳ探 针可成功检测浓度为２．１ｘ１０－８ｍｏｌ／Ｌ的抗生蛋白链菌 素目标分子。Ｓｒｉｎａｔｈ等［Ｔｊ提出了ｐａｒｙｌｅｎｅ（聚对二甲 苯）薄膜表面应力生物传感器并在化学物质测试中
膜的形变６大小正比于（肌）２，因此，ＰＤＭＳ薄膜要
尽可能薄；由于Ａｕ的杨氏模量很大，容易对ＰＤＭＳ
万方数据
Ｖｂｌ．３２ Ｎｏ．１０
石强等：薄膜电容式表面应力生物传感器设计与优化
０ｃｔ．２０１３
薄膜的偏转产生抵消作用，影响传感器电容变化量， 所以Ａｕ电极也要尽可能薄，以提高传感器灵敏度。 结合目前微加工工艺，ＰＤＭＳ薄膜厚度（ｆＤ）和Ａｕ
高，且杨氏模量大小与其加工工艺有着一定的关系， 可通过工艺研究使其探测灵敏度最大化，利于分析 检测；而且成本低，使用简单，同硅片之间具有良 好的粘附性，具有良好的化学惰性和生物相容性，
式中：ｓ为电容极板间介质的介电常数：Ａ为两平行 板正对面积；ｄ为两平行板间距离。传感器输出电容 变化量近似与电极尺寸成正比，与电极间距成反比。
结构尺寸使得在一定表面应力作用下，传感器输出 电容Ｃ变化量最大。根据平行板电容器原理公式： Ｃ＝叫／ｄ
