金 庚，王櫟皓，朱銀芳，劉曉晨，趙俊元，郭陽(yáng)寬，楊晉玲*

(1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.北京信息科技大學(xué)，北京 100192；4.傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050)

0 引言

基于MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)的生物傳感器是國(guó)際傳感領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，其應(yīng)用前景廣闊。微懸臂梁生物傳感器可以用來(lái)測(cè)量病原微生物、免疫蛋白、核酸等多種生物分子，能夠滿足不同精度和測(cè)量范圍的探測(cè)需求，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥篩選、疾病診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域[1]。微懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS生物傳感器，主要有兩種基本工作模式：靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式[2-3]，其中動(dòng)態(tài)模式，即懸臂梁諧振狀態(tài)測(cè)量模式，使微懸臂梁處于諧振狀態(tài)，微懸臂梁的有效質(zhì)量會(huì)因生物分子與其作用而改變，從而產(chǎn)生諧振頻率偏移，被測(cè)生物分子質(zhì)量可通過(guò)測(cè)量微懸臂梁的頻率變化獲得。微懸臂梁工作在動(dòng)態(tài)模式時(shí)，對(duì)力以及質(zhì)量的變化敏感度極高，具有極高的靈敏度和精度。這一特性可以應(yīng)用在生物檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)生物分子的超高靈敏檢測(cè)。

目前，為了滿足醫(yī)療檢測(cè)、生物研究等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，諧振式微懸臂梁生物傳感器需要實(shí)現(xiàn)便攜式、多目標(biāo)檢測(cè)。常用的懸臂梁頻率測(cè)量方法主要分為光學(xué)檢測(cè)與電學(xué)檢測(cè)，光學(xué)方法包括激光多普勒、激光位移傳感等，通常包含較大的光學(xué)部件，不適合便攜式應(yīng)用。電學(xué)方法包括電容檢測(cè)、壓敏電阻等，電容式檢測(cè)因需要在微懸臂梁結(jié)構(gòu)上制備導(dǎo)電涂層，會(huì)降低懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)(Q)，降低檢測(cè)靈敏度。而通過(guò)將壓敏電阻與懸臂梁結(jié)構(gòu)片內(nèi)集成，通過(guò)構(gòu)筑惠斯登電橋，降低噪聲，可以實(shí)現(xiàn)亞赫茲量級(jí)的頻率測(cè)量分辨率。多目標(biāo)生物分子聯(lián)合檢測(cè)，一方面可以提高檢測(cè)通量，另一方面，對(duì)于癌癥早診等應(yīng)用領(lǐng)域，多標(biāo)志物聯(lián)合檢測(cè)可以顯著提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，降低假陽(yáng)性與假陰性?；趹冶哿旱闹C振式MEMS生物傳感器，通過(guò)微懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的聯(lián)合檢測(cè)。由于微納制造工藝容差，同一傳感單元中的懸臂梁陣列頻率存在一定差異，因此，驅(qū)動(dòng)懸臂梁陣列進(jìn)入諧振狀態(tài)，并且快速跟蹤和精確測(cè)量每根懸臂梁的諧振頻率是多生物分子高精度檢測(cè)的關(guān)鍵。

一個(gè)完整的MEMS生物傳感器系統(tǒng)主要由生物樣本進(jìn)樣系統(tǒng)、MEMS懸臂梁諧振傳感單元、接口檢測(cè)電路、微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，其中進(jìn)樣系統(tǒng)提供生物分子檢測(cè)的反應(yīng)腔室，同時(shí)為微懸臂梁提供封裝保護(hù)。MEMS懸臂梁諧振傳感單元與接口檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)傳感與檢測(cè)讀出。由于MEMS懸臂梁生物傳感器靈敏度很高，工作時(shí)易受環(huán)境溫度變化、沖擊振動(dòng)、雜質(zhì)干擾等的影響[4]，因此，為了保證檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確可控的自動(dòng)化進(jìn)樣、清洗、干燥等操作至關(guān)重要。

本文針對(duì)MEMS懸臂梁陣列傳感芯片的接口檢測(cè)電路、多通道微流體進(jìn)樣系統(tǒng)、以及微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，主要解決傳感器信號(hào)閉環(huán)下的處理與讀出，提高系統(tǒng)測(cè)量精度；解決微流體生物樣本精確進(jìn)樣控制、快速切換及精確驅(qū)動(dòng)。為傳感器提供智能集成化的微反應(yīng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于微程序控制器(micro-programmed control unit，MCU)的可控、多模式的生化反應(yīng)及高靈敏、高精度檢測(cè)系統(tǒng)。

1 MEMS懸臂梁生物傳感器接口電路設(shè)計(jì)

本文中MEMS傳感器采用課題組前期研制的多通道MEMS懸臂梁陣列傳感芯片，圖1(a)為懸臂梁陣列芯片的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)照片，傳感芯片為5通道，可同時(shí)檢測(cè)4種標(biāo)志物，其余1通道為參考梁，用于降低反應(yīng)中非特異性吸附的干擾，提高檢測(cè)精度[5]。

該生化傳感器工作于微懸臂梁的動(dòng)態(tài)工作模式，即諧振狀態(tài)下，當(dāng)檢測(cè)樣本中的待測(cè)物質(zhì)與表面功能化的微懸臂梁發(fā)生特異性吸附后，懸臂梁的等效質(zhì)量和彈性系數(shù)等物理參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變[6]，使懸臂梁諧振頻率出現(xiàn)偏移。設(shè)計(jì)相應(yīng)的頻率跟蹤與檢測(cè)模塊，即可實(shí)時(shí)測(cè)量懸臂梁諧振頻率偏移量，從而獲取被測(cè)樣本中生物分子的種類和濃度等信息。微懸臂梁的信號(hào)檢測(cè)電路主要由信號(hào)處理電路與頻率測(cè)量電路兩部分構(gòu)成。

圖1(b)是單通道懸臂梁及后端的惠斯登電橋電路，當(dāng)懸臂梁處于諧振狀態(tài)時(shí)，位于懸臂梁根部的壓電電阻的阻值以同頻率發(fā)生周期性變化?；菟沟请姌螂娐返墓ぷ髟砣鐖D2所示，在惠斯登電橋輸入端施加電壓Uin，由式(1)可得輸出信號(hào)Uout的表達(dá)式，通過(guò)檢測(cè)Uout即可獲得懸臂梁諧振頻率。

(a)SEM圖 (b)單通道示意圖圖1 MEMS懸臂陣列SEM圖及單通道示意圖

圖2 惠斯登電橋電路

(1)

由式(1)可知，增大輸入電壓Uin有利于輸出信號(hào)檢測(cè)。然而，輸入電壓增大將導(dǎo)致懸臂梁根部的壓阻功率變大，產(chǎn)生的熱量使傳感芯片溫度升高，會(huì)影響懸臂梁對(duì)待測(cè)物質(zhì)的檢測(cè)準(zhǔn)確性。為了保證高精度、高穩(wěn)定性生物傳感檢測(cè)，惠斯登電橋需在較低電壓下工作。此外，微懸臂梁尺寸小，即使在諧振狀態(tài)，其振幅位移量通常只有幾到幾十nm，因此，懸臂梁傳感芯片的輸出信號(hào)Uout十分微弱，通常只有μV級(jí)別。本文先采用儀表放大器(AD8421，ADI)實(shí)現(xiàn)低失調(diào)電壓、高線性度的兩級(jí)放大電路，放大后的Uout信號(hào)可達(dá)數(shù)十mV；然后通過(guò)比較器將Uout輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，進(jìn)入鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相，鎖相環(huán)的輸出信號(hào)通過(guò)移相器進(jìn)行相位調(diào)制，使得激勵(lì)信號(hào)與懸臂梁諧振信號(hào)相位相差2kπ(k=0，±1，±2，…)，懸臂梁始終處于閉環(huán)自激狀態(tài)，如圖3所示。通過(guò)放大、鎖相、移相等模塊保證了閉環(huán)系統(tǒng)的信號(hào)穩(wěn)定性[7]。

圖3 信號(hào)處理電路框圖

圖3所示電路框圖中，經(jīng)相位調(diào)節(jié)后的信號(hào)輸入MCU，根據(jù)方波信號(hào)采用等精度測(cè)量法進(jìn)行頻率跟蹤測(cè)量[8]，如圖4所示。

圖4 等精度測(cè)頻原理

處理器內(nèi)設(shè)置預(yù)制閘門(mén)時(shí)間T，在方波信號(hào)的上升沿或下降沿臨時(shí)開(kāi)啟并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)在此閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別得到脈沖計(jì)數(shù)數(shù)值m和n，由此可得待測(cè)信號(hào)的頻率為

(2)

式中f0為MCU內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，Hz。

采用等精度測(cè)量法時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)n存在±1的誤差，故總體的相對(duì)誤差δ可表示為

(3)

由式(3)可以看出，增大計(jì)數(shù)值n可減小頻率測(cè)量誤差，通常增大n的方法有2種：一是增加系統(tǒng)內(nèi)預(yù)制閘門(mén)時(shí)間；二是為MCU配置高頻率晶振。本文采用70 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，閘門(mén)時(shí)間為500 m/s，實(shí)現(xiàn)了小于0.01 ppm(1 ppm=10-6)的頻率檢測(cè)誤差。

2 微流體驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)

微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)傳感芯片生化檢測(cè)進(jìn)樣、反應(yīng)、清洗、干燥等過(guò)程的自動(dòng)化控制。首先，將被測(cè)生物樣液輸送至微懸臂梁傳感芯片的敏感區(qū)域，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子與微懸臂梁表面修飾分子的捕獲結(jié)合；反應(yīng)結(jié)束后，輸送PBS等生物反應(yīng)清洗液，有效去除非特異吸附分子，提高檢測(cè)的信噪比。由于微懸臂在液體中的品質(zhì)因子較低，為了實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè)，在清洗完成后，需對(duì)懸臂梁傳感芯片進(jìn)行吹氣干燥。對(duì)于高靈敏微納生物傳感檢測(cè)，檢測(cè)樣本中目標(biāo)分子含量較低，生物反應(yīng)條件如微流體的流速、流向、反應(yīng)時(shí)間等對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，解決該影響需要研究與設(shè)計(jì)精確的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)微流體樣液送樣、清洗、干燥等過(guò)程的精密控制。

圖5是本文采用的微流體系統(tǒng)控制電路框圖。微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電路包括MCU、蠕動(dòng)泵[9]、氣泵以及配套的硬件驅(qū)動(dòng)控制電路。負(fù)載相應(yīng)的嵌入式驅(qū)動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)微流體精密驅(qū)動(dòng)控制。

圖5 微流控系統(tǒng)電路框圖

蠕動(dòng)泵步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)嵌入式程序采用PWM波調(diào)速方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精密轉(zhuǎn)速控制，該方法是通過(guò)改變PWM的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力是通過(guò)增加PWM波占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖6所示為PWM調(diào)速原理，第一波形是時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)比第三條波形與第四條波形，通過(guò)改變PWM波周期實(shí)現(xiàn)調(diào)速；對(duì)比第四條波形與第二條波形，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

圖6 PWM波形示意圖

PWM波的頻率根據(jù)電機(jī)的實(shí)際參數(shù)確定，為保證電機(jī)的扭矩達(dá)到最大，由式(4)確定PWM波頻率，使公式左邊項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右邊項(xiàng)。

2πfL>>R

(4)

式中：f為頻率；L為電樞電感；R為電樞電阻。

為了使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以及提高電機(jī)使用壽命，采用S型曲線模式進(jìn)行電機(jī)的加速減速操作[10]，不直接給電機(jī)加以一定的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM脈沖信號(hào)頻率的關(guān)系為

(5)

式中v為電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min；f為PWM信號(hào)頻率， Hz。

由式(5)可知，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)M以及步進(jìn)電機(jī)的步腳距θ確定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM頻率成正比。利用MCU機(jī)器周期與指令周期關(guān)系編寫(xiě)延時(shí)函數(shù)生成頻率可調(diào)的PWM波，其中變量i與k用于設(shè)定延時(shí)時(shí)長(zhǎng)，調(diào)用delay函數(shù)用于調(diào)節(jié)占空比。由式(5)調(diào)整PWM信號(hào)的頻率對(duì)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)改變MCU對(duì)TB656AHQ驅(qū)動(dòng)電路的使能邏輯，最終由嵌入式程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)在不同擋速下的循環(huán)正反轉(zhuǎn)，為系統(tǒng)提供進(jìn)樣、反應(yīng)、清洗操作。延時(shí)函數(shù)如下：

void delay(uint i){

uchar j,k;

for(j=0;j

for(k=0;k<50;k++);}

void motor_run(){

while(1){

mai_chong=～mai_chong;

delay(3);}}

對(duì)于蠕動(dòng)泵進(jìn)液量精度的控制，蠕動(dòng)泵的進(jìn)液量與泵管內(nèi)徑、泵轉(zhuǎn)子圓周直徑以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關(guān)，對(duì)于蠕動(dòng)泵進(jìn)液量的精密控制可通過(guò)嵌入式程序控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)。蠕動(dòng)泵進(jìn)液量計(jì)算公式：

(6)

式中：Q為蠕動(dòng)泵進(jìn)液量；D為泵轉(zhuǎn)子圓周直徑，m；d為泵管內(nèi)徑，m；θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，rad。

本文使用蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)子圓周直徑為2 cm，泵管直徑為1 mm，轉(zhuǎn)子最小轉(zhuǎn)角為1.8°，因此可以計(jì)算本系統(tǒng)最小控制液量精度為

(7)

本文基于L298N的驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)工作電壓控制直流電機(jī)，使直流電機(jī)工作在合理轉(zhuǎn)速下，為氣閥提供一個(gè)穩(wěn)定的氣流速度，實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)對(duì)微流道環(huán)境的吹氣干燥操作。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

對(duì)文中設(shè)計(jì)的懸臂梁接口電路進(jìn)行開(kāi)環(huán)測(cè)試，采用Agilent MXG函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為10 mV、頻率在180～300 kHz(MEMS懸臂梁頻率)范圍內(nèi)的正弦波信號(hào)，記錄MCU測(cè)量的頻率值與輸入值的差異，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，可以看出，在輸入信號(hào)范圍內(nèi)，測(cè)量值與輸入值的誤差在±0.3 Hz內(nèi)，相對(duì)誤差小于2 ppm，對(duì)于4 Hz懸臂梁測(cè)試噪聲，文中設(shè)計(jì)電路完全滿足對(duì)MEMS懸臂梁傳感器的頻率測(cè)試精度要求。

圖7 懸臂梁接口電路開(kāi)環(huán)測(cè)試

對(duì)MEMS懸臂梁芯片進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，在40 min內(nèi)每5 min對(duì)傳感器陣列進(jìn)行頻率測(cè)量，以第一次測(cè)量值為基準(zhǔn)，40 min內(nèi)5根梁的頻率偏移如圖8所示，可以看出在40 min內(nèi)5根梁的測(cè)試頻率值穩(wěn)定在±0.002 Hz內(nèi)，測(cè)試抖動(dòng)小于0.015 ppm，表明懸臂梁測(cè)試電路閉環(huán)工作下具有良好的重復(fù)性與穩(wěn)定性。

圖8 閉環(huán)頻率測(cè)試穩(wěn)定性

進(jìn)一步地，利用本文設(shè)計(jì)的生化測(cè)試系統(tǒng)對(duì)0.1 mol/L的PBS(phosphate buffer saline)磷酸鹽緩沖液進(jìn)行測(cè)試。PBS清洗是生物反應(yīng)中關(guān)鍵的一步，清洗的效果直接決定著反應(yīng)后懸臂梁的底噪水平。采用500 μL/min的PBS緩沖液循環(huán)反應(yīng)5 min，800 μL/min的DI水清洗10 min，氣泵干燥5 min。對(duì)同一組懸臂梁陣列進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試頻率變化值如表1所示，可以看出，經(jīng)過(guò)反應(yīng)、清洗、干燥等過(guò)程處理后，懸臂梁頻率下降值小于3 Hz(5 ppm)，與懸臂梁系統(tǒng)噪聲相當(dāng)，滿足MEMS懸臂梁傳感器在生物檢測(cè)應(yīng)用中的要求。

表1 PBS樣品系統(tǒng)測(cè)試 Hz

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于MEMS懸臂梁的生物測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，頻率跟蹤檢測(cè)電路以及微流體驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS傳感器的精確測(cè)量與控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明測(cè)試系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性、工作穩(wěn)定，并且極大地縮小了檢測(cè)設(shè)備體積、降低了測(cè)試成本。系統(tǒng)開(kāi)環(huán)測(cè)試誤差小于±0.3 Hz，閉環(huán)誤差小于±0.002 Hz，微流體控制精度低至0.247 μL，對(duì)PBS樣液測(cè)試效果滿足預(yù)期目標(biāo)，為MEMS生化傳感器的推廣奠定了基礎(chǔ)，具有廣闊的實(shí)用前景。