李 勇

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250061)

0 引 言

微生物傳感器是一種檢測(cè)微生化物質(zhì)的裝置，具有高度的檢測(cè)敏感性、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、物理等領(lǐng)域［1］。微懸臂梁傳感器就是一個(gè)典型的應(yīng)用，在空氣中，微懸臂梁傳感器檢測(cè)靈敏度高，且具有很高的品質(zhì)因數(shù)和檢測(cè)時(shí)不需要標(biāo)記［2］。但是在液態(tài)檢測(cè)環(huán)境中，液態(tài)介質(zhì)的阻尼作用使微懸臂梁傳感器的品質(zhì)因數(shù)顯著降低［3］。最近研究表明，微膜作為檢測(cè)平臺(tái)在液態(tài)介質(zhì)中具有更高的質(zhì)量敏感性和分辨率［4］。微膜生化傳感器的工作過(guò)程是將檢測(cè)微生化介質(zhì)的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)電信號(hào)的過(guò)程。微膜生化傳感器的動(dòng)態(tài)性能會(huì)受到微膜尺寸、吸附物質(zhì)量的影響，研究這些因素對(duì)微膜生化傳感器動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律是發(fā)展微膜生化傳感器的基礎(chǔ)。

本文利用流固耦合分析軟件ADINA 對(duì)微膜生化傳感器在液態(tài)介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了模擬研究，分析了微膜尺寸和吸附物的影響。

1 微膜生化傳感器

1.1 微膜生化傳感器結(jié)構(gòu)

圖1 為一種微膜生化傳感器示意圖，傳感器由微膜、檢測(cè)電路和腔體等結(jié)構(gòu)組成［5］。含有待檢測(cè)微生化介質(zhì)的微流體從進(jìn)口進(jìn)入傳感器，當(dāng)特定的微生化介質(zhì)吸附在微膜表面的敏感層時(shí)，微膜的固有頻率會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)頻移來(lái)達(dá)到檢測(cè)介質(zhì)的目的。

1.2 有限元建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸在ADINA 中建模，腔體簡(jiǎn)化為圓柱形結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)液體的流速十分緩慢，簡(jiǎn)化為靜止的液體域，液體域邊界為固壁面邊界條件，微膜形狀為圓形，采用固支邊界條件，有限元模型如圖2 所示。微膜選用的單元類(lèi)型為四節(jié)點(diǎn)Shell 單元，并規(guī)定楊氏模量為6.1×1010Pa，密度為7.5×103kg/m3，泊松比為0.3。液體域半徑為140 μm，深度為80 μm，液體密度為1000 kg/m3，采用勢(shì)流體單元。最后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析類(lèi)型為模態(tài)分析，采用Lanczos求解方法，ADINA 軟件能夠自動(dòng)識(shí)別流固耦合面［6］。

圖1 微膜生化傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of micro diaphragm biochemical sensor

圖2 傳感器有限元模型Fig 2 Finite element model of sensor

2 微膜尺寸的影響

圖3 所示的是當(dāng)微膜厚度為4 μm，微膜半徑分別為55，60，65，70，75 μm 時(shí)，傳感器第一階固有頻率隨微膜半徑變化曲線(xiàn)圖。圖4 所示的是當(dāng)微膜半徑為70 μm，微膜厚度分別為2，3，4，5，6 μm 時(shí)，傳感器第一階固有頻率隨微膜厚度變化曲線(xiàn)圖。

從圖3 可以看出:傳感器固有頻率隨著微膜半徑的增大而減小，隨著半徑的繼續(xù)增大，頻率的變化率減小，曲線(xiàn)變緩;從圖4 可以看出:傳感器固有頻率隨著厚度的增加而增大。

圖3 微膜固有頻率和微膜半徑的關(guān)系Fig 3 Relationship between natural frequencies and radius of micro diaphragm

圖4 微膜固有頻率和微膜厚度的關(guān)系Fig 4 Relationship between natural frequencies and thickness of micro diaphragm

3 吸附物質(zhì)量與位置的影響

利用ADINA 軟件集中質(zhì)量單元屬性模擬吸附物質(zhì)量，分別計(jì)算當(dāng)吸附物質(zhì)量m 為1×10－6，2×10－6，3×10－6g，吸附物離微膜中心距離r 為10，20，30，40，50 μm 時(shí)的傳感器第一階固有頻率，得到的固有頻率同吸附物質(zhì)量和吸附位置的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5 所示。

從圖5 可以看出:吸附物質(zhì)量使固有頻率減小，固有頻率隨著吸附位置離微膜中心距離的增大而增大，吸附位置在微膜中心時(shí)，固有頻率最低。吸附位置在微膜邊緣區(qū)域比在微膜中心區(qū)域?qū)ξ⒛さ墓逃蓄l率影響更大，表現(xiàn)在曲線(xiàn)斜率更大。在不同的吸附質(zhì)量條件下，相同的位置變化量對(duì)頻率的改變基本相同，不同的曲線(xiàn)的斜率基本相同。

圖5 微膜固有頻率和吸附物質(zhì)量與位置的關(guān)系Fig 5 Relationship between natural frequencies of micro diaphragm with respect to mass and position of adsorbate

4 結(jié) 論

本文分析了薄膜結(jié)構(gòu)尺寸與吸附物對(duì)微膜生化傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響，從模擬結(jié)果可以看出:微膜的尺寸和吸附物質(zhì)量及吸附位置對(duì)微膜生化傳感器的固有頻率影響顯著，固有頻率隨著半徑增大而減小，隨厚度的增加而增大;液態(tài)介質(zhì)中的吸附物質(zhì)量使傳感器固有頻率減小，不同的吸附位置也使固有頻率發(fā)生變化。

［1］ 謝佳胤，李捍東，王 平，等.微生物傳感器的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010(6):11－15.

［2］ Morris David R P，F(xiàn)atisson Julien，Olsson Adam L J.et al.Realtime monitoring of airborne cat allergen using a QCM-based immunosensor［J］.Sensors and Actuators，2014，190:851－857.

［3］ Li Suiqiong，Li Zhimin，Chin Bryan B，et al.Development of biosensor based on micro-diaphragm［C］∥Smart Structures and Materials 2004:Smart Electronics，MEMS，BioMEMS，and Nanotechnology，Bellingham:SPIE，2004:306－313.

［4］ Zhang Xu，Xu Wencheng，Chae Junseok.Temperature effects on a high Q FBAR in liquid［J］.Sensors and Actuators，2011，166:264－268.

［5］ Wingqvist G，Bjurstrom J，Hellgren A C，et al.Immunosensor utilizing a shear mode thin film bulk acoustic sensor［J］.Sensors and Actuators，2007，127:248－252.

［6］ 馬 野，袁志丹，曹金鳳.ADINA 有限元經(jīng)典實(shí)例分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:68－69.