谐振式MEMS生物传感器系统检测电路设计

金 庚，王栎皓，朱银芳，刘晓晨，赵俊元，郭阳宽，杨晋玲*

(1.中国科学院半导体研究所，北京 100083；2.中国科学院大学，北京 100049；3.北京信息科技大学，北京 100192；4.传感技术联合国家重点实验室，上海 200050)

0 引言

基于MEMS微悬臂梁结构的生物传感器是国际传感领域的热点研究内容之一，其应用前景广阔。微悬臂梁生物传感器可以用来测量病原微生物、免疫蛋白、核酸等多种生物分子，能够满足不同精度和测量范围的探测需求，被广泛应用于医药筛选、疾病诊断、食品安全、环境监测等各个领域[1]。微悬臂梁结构的MEMS生物传感器，主要有两种基本工作模式：静态模式和动态模式[2-3]，其中动态模式，即悬臂梁谐振状态测量模式，使微悬臂梁处于谐振状态，微悬臂梁的有效质量会因生物分子与其作用而改变，从而产生谐振频率偏移，被测生物分子质量可通过测量微悬臂梁的频率变化获得。微悬臂梁工作在动态模式时，对力以及质量的变化敏感度极高，具有极高的灵敏度和精度。这一特性可以应用在生物检测中，实现生物分子的超高灵敏检测。

目前，为了满足医疗检测、生物研究等领域的应用需求，谐振式微悬臂梁生物传感器需要实现便携式、多目标检测。常用的悬臂梁频率测量方法主要分为光学检测与电学检测，光学方法包括激光多普勒、激光位移传感等，通常包含较大的光学部件，不适合便携式应用。电学方法包括电容检测、压敏电阻等，电容式检测因需要在微悬臂梁结构上制备导电涂层，会降低悬臂梁的品质因数(Q)，降低检测灵敏度。……