组成图示
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传感器类型
其他（微机械共振扭转桨传感器）
检测对象
溶液密度（density）、溶液粘度（viscosity）；样品基质：甘油溶液（glycerol solutions, 20%–80%）、酒精溶液（alcohol solution）
检测原理
传感器由检测桨和参考桨组成。交流电流通过Cr/Au驱动电极，在SmCo永磁体提供的约0.1 T面内磁场中产生洛伦兹力，使SiNx桨体发生扭转共振；检测电极感应与振动速度相关的交流电压。浸入液体后，液体附着在桨表面增加有效质量，使共振频率下降，该频移主要反映溶液密度；液体粘性阻尼增加振动能量损耗，使Q值下降，该变化主要反映溶液粘度。参考桨不附着液体，其频移代表液体本底特性，差分结构可抑制噪声。正反馈电路将检测信号放大后反馈至驱动电极，产生与速度成正比的附加扭矩，降低有效阻尼，提高液体中Q值。通过测量频率和Q值，可分别计算密度和粘度。
检测灵敏度
灵敏度: about 0.16 Hz/pg
效应效果
实验在真空、空气和液体中进行，每次至少重复三次。真空下共振频率44.7 kHz、Q值260；空气中47.7 kHz；浸入酒精后频率降至28.49 kHz，无补偿Q值仅2.65，正反馈能量补偿后Q值提升至40。在酒精及20%、40%、60%、80%甘油溶液中，50 mV激励下共振频率分别为28.49、27.05、26.67、24.71、22.62 kHz，Q值分别为24.55、22.27、19.31、14.53、11.37，表明频率随密度增加下降，Q值随粘度增加下降。差分参考桨可抑制液体特性噪声，正反馈电路改善液体中弱信号。作者认为该传感器可直接用于液体密度和粘度检测，具有无标记、原位、低成本潜力。
传感器的构成
- 基底/支撑层：单晶硅（Si）基底，提供机械支撑并用于湿法刻蚀释放结构
- 应力补偿层：热氧化二氧化硅（SiO2），0.2 μm，补偿SiNx沉积应力
- 桨体/换能层：低应力氮化硅（SiNx），5 μm，构成扭转桨并承载附加质量
- 驱动/检测电极：铬/金（Cr/Au）电极，沿桨侧布置，用于电磁驱动与感应检测
- 电极绝缘层：等离子体增强化学气相沉积（PECVD）SiNx，1 μm，绝缘并保护电极
- 磁场元件：钐钴（SmCo）永磁体，提供约0.1 T面内磁场，实现洛伦兹力激励
- 参考桨：第二个相同SiNx扭转桨，无液体附着，作为参考降低液体噪声
- 信号处理电路：正反馈能量补偿电路，放大检测信号反馈驱动电极，提高液体中Q值
中文摘要
本文提出一种基于共振扭转桨的微加工生物传感器，采用电磁激励与检测，可直接在液体中工作。该传感器由两个具有扭转共振模式的桨组成，振动过程中能量损耗较低，因而适合液体环境检测。作者通过有限元方法分析并优化结构参数，以保证传感器灵敏度；采用MEMS体硅工艺完成制备。针对液体中强阻尼导致性能下降的问题，设计了带能量补偿的正反馈电路，以改善传感器在液体中的工作特性。实验表明，共振扭转桨可直接在液体中工作，借助能量补偿，传感器在液体中的Q值可由2.65提高到40。粘度和密度测试结果显示，共振频率的下降与溶液密度相关，Q值的下降与溶液粘度相关，因此该传感器可用于液体密度和粘度的直接检测。
英文摘要
A novel micro-machined biosensor based on the resonant torsional paddle with electromagnetic excitation which can work in liquid directly is presented. The sensor designed consists of two paddles with resonant torsional mode, in which the energy loss of the resonator during the vibration is so lower that it can be suitable for detection in liquid. Finite element method analysis was carried out to guarantee the sensitivity of the sensor. Micro electro-mechanical system (MEMS) bulk silicon processes were adopted to accomplish the fabrication. A positive-feedback circuit with energy compensation is designed to improve the characteristics of the sensor in liquid. Experiments show that the resonant torsional paddle can work directly in liquid and the Q-factor of the sensor in liquid can be improved from 2.65 to 40 with energy compensation. Viscosity tests and density tests for the sensor show that the decrease in frequency and the decrease in Q-factor are related to density and viscosity of the solutions, respectively.