張釗 梅永松 張毅

摘要：本文對(duì)微懸臂梁傳感器在三類氣體檢測(cè)領(lǐng)域中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，對(duì)微懸臂梁檢測(cè)的工作原理和工作模式進(jìn)行了敘述，并對(duì)該類傳感檢測(cè)技術(shù)的前景做了展望，為微機(jī)電系統(tǒng)中傳感技術(shù)的應(yīng)用研究提供參考。

關(guān)鍵詞：氣體檢測(cè);工作模式;微懸臂梁

空氣質(zhì)量問題是社會(huì)問題中急需解決的一大難題，解決這一難題的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)空氣中氣體分子的準(zhǔn)確分析。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀器不能滿足實(shí)際檢測(cè)的需要，而微懸臂梁傳感技術(shù)用于氣體檢測(cè)是一個(gè)新思路。微懸臂梁傳感器具有高精度、高靈敏等優(yōu)點(diǎn)，可使用于真空、液體、氣體環(huán)境中，廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)多領(lǐng)域。本文綜述了微懸臂梁傳感器在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用，包括一般性氣體，爆炸性氣體和有毒有害氣體，并分析了使用局限性，為今后的氣體傳感器的深入研究提供了新方法。

1 工作原理

微懸臂梁傳感器[1]是一種可以獲取有用信息并將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的高精度微型傳感裝置。通過將梁表面接收到的信息轉(zhuǎn)化成梁的應(yīng)力形變，或者促使懸臂梁共振頻率偏移，將這一變化通過光學(xué)或電學(xué)的讀出方法轉(zhuǎn)為可視信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

2 工作模式

微懸臂梁[2]應(yīng)用于氣體檢測(cè)主要有兩種工作模式：靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式。

2.1 靜態(tài)工作模式

靜態(tài)模式是通過改變梁表面應(yīng)力實(shí)現(xiàn)，具體方法為：將一種可以與待測(cè)物質(zhì)分子發(fā)生特異性結(jié)合的分子預(yù)先修飾在懸臂梁表面的一側(cè)，當(dāng)梁處于包含待測(cè)物質(zhì)分子的環(huán)境中時(shí)，兩種分子發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，導(dǎo)致了梁表面應(yīng)力發(fā)生改變，使懸臂梁產(chǎn)生彎曲變化。

2.2 動(dòng)態(tài)工作模式

動(dòng)態(tài)模式是通過測(cè)量梁表面質(zhì)量微小變化實(shí)現(xiàn)。質(zhì)量變化影響梁的共振頻率，梁表面的質(zhì)量增加，促使其共振頻率減小，通過測(cè)量頻率的變化值即可獲知吸附物的質(zhì)量大小。

3 傳感器在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用

3.1 一般性氣體檢測(cè)

微懸臂梁傳感器對(duì)氣體進(jìn)行定量檢測(cè)是一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。2011年，Jin[3]等人在懸臂梁自由端涂上活性炭后，研究了懸臂共振頻率和二氧化碳?jí)毫Φ年P(guān)系。2014年，Kim[4]等人研制了一種高靈敏度懸臂型化學(xué)機(jī)械氫傳感器，可檢測(cè)濃度高達(dá)4%氮?dú)庵邢♂尩臍洹?018年，Lv[5]等人用重力型傳感材料，采用共振微懸臂梁傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)10ppbco的靈敏檢測(cè)。

3.2 爆炸性氣體檢測(cè)

爆炸性氣體會(huì)對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大隱患，如何有效地對(duì)其定量檢測(cè)是迫切需要解決的題。2004年，Pinnaduwage等人對(duì)DNT、TNT等爆炸性氣體進(jìn)行了檢測(cè)。2010年，Xu等人用于研制了用于檢測(cè)三硝基甲苯（TNT）蒸氣的多壁碳納米管改性共振微懸臂梁化學(xué)傳感器。實(shí)驗(yàn)顯示快速檢測(cè)ppb水平的TNT蒸氣的能力，以及功能化基團(tuán)對(duì)TNT分子的高度特異性。2011年，Zhu[6]等人將一種比色受體四硫富勒烯官能化吡咯與一種聚酰亞胺微反杠桿結(jié)合在一起，可檢測(cè)10ppb三硝基苯蒸氣。

3.3 有毒氣體檢測(cè)

有毒氣體在空氣中凝結(jié)會(huì)對(duì)人的皮膚產(chǎn)生刺激作用，導(dǎo)致過敏等癥狀，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致病變。2006年，Porter[7]等人用嵌入式壓阻式微懸臂梁傳感器來檢測(cè)氰化氫氣體。2015年，Ju[8]等人利用組合肽庫和一個(gè)石墨表面或苯基端接自組裝單層作為相關(guān)的靶表面，實(shí)現(xiàn)了定量檢測(cè)苯、甲苯和二甲苯亞ppm水平檢測(cè)。2016年，Wang等人研究了一種基于納米敏感材料和MEMS技術(shù)的新型煤油氣體傳感器，具有較高的靈敏度和線性度。

4 展望

未來可將微懸臂梁傳感技術(shù)與納米技術(shù)和軟物質(zhì)技術(shù)相結(jié)合，致力于發(fā)展多選擇性、高穩(wěn)定性和耐用性的柔性傳感器。

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基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910361065）

作者簡(jiǎn)介：張釗（1998），男，安徽宿州人，本科，主要研究方向?yàn)閭鞲衅鏖_發(fā)與應(yīng)用。