文摘

我们将演示使用散光检测系统(ADS)的共振频率聚合物微悬臂传感器的识别。广告技术是基于一个DVD光学头结合光学显微镜(OM)。光学头的信号带宽为80 MHz,允许热波动测量悬臂梁subnanometer决议。此外,外部激励可以加强共振振幅,提高信号噪声比。半宽度(应用)的激光点是568纳米,这有助于潜在submicrometer-sized悬臂上读出。SU-8的共振频率测量微悬臂的热涨落和兴奋的振动测量模式的广告。

1。介绍

Cantilever-based传感器已成为一种很有前途的label-free检测技术,已用于高精度质量检测和生物分子识别。通过表面功能化,悬臂可以修改特定的某些化合物检测。分子吸附悬臂的一端将转移悬臂由于表面压力的变化1- - - - - -3]。另外,分质量变化可以通过监控发现的谐振频率变化的悬臂高精度质量检测(4]。通过监测表面应力变化,例如,DNA杂交(5)和antibiotic-peptide绑定(6)被发现。

检测振动振幅和/或微悬臂的偏转,多样化的方法,如光学(7)、电容(8),压敏电阻,压电9- - - - - -11应用了。光学杠杆技术,通常用于原子力显微镜(AFM)是最受欢迎的方法检测微机械结构的变形量。一束激光聚焦于一个反映了微悬臂梁上一位敏探测器(PSD)。之间的距离微悬臂的PSD放大角检测灵敏度subnanometer悬臂变形量可以得到解决12,13]。光学杠杆技术需要繁琐和耗时的调整过程之前测量每个悬臂的弯曲角度。因此,光学杠杆方法可能不是一个最佳的解决方案等新技术任务快或同时检测大型机械悬臂阵列。此外,激光光斑大小在大多数商用光学杠杆系统是几个微米,这是难以衡量submicrometer-sized结构。

以前,一个象散检测系统(ADS)应用于AFM系统(14AFM探针监测)。广告的关键组件是一个DVD光学头内部ROM驱动器。我们已经证明了量子热噪声的AFM探针可以测量的广告。在这个工作中,我们把广告与光学显微镜(OM)测量microcantilever-based传感器制成的聚合物SU-8 [15]。

检测方案的广告图所示1(一)。通过一个准直器和一个物镜,一束激光产生的激光二极管(LD)集中到一个悬臂。悬臂式反映了激光束通过分束器,而垂直地反映了激光束在光电探测器集成芯片(PDIC)。光电能量转换是由四个独立的感光象限 ( , , , ) 生成的信号 , , , ,分别。当广告集中在悬臂,激光点在PDIC是圆形的。散焦距离 Δ 对象的诱导激光点的形状变化,如图1 (b)。相应的聚焦误差信号 F E 被定义为 F E = ( + ) − ( + ) 。上的激光点的监测和准确的调整对象,一个OM CMOS传感器,结合光路的广告。

(一)
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(b)
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图1
散光检测系统的检测方案,(a)光路配置,(b) PDIC激光点,和聚焦误差信号;线性区域大约是6μm。

没有角的调整,广告还可以测量悬臂梁共振频率的弯曲角与−8 - 8度偏差。与光学杠杆技术相比,大角公差的广告使高速测量成为可能16]。的主要挑战之一是能够测量聚合物悬臂梁的共振峰没有反光涂料。这将是一个非常有用的工具,采用技术走出实验室的应用,大大减少成本的大小和读出设置。此外,SU-8微悬臂没有涂层可以大大简化生产流程,降低microcantilever-based生物传感器的成本。在这篇文章中,我们测量微悬臂共振频率的四个条件:有或没有反光涂料,有和没有外部激励。

2。SU-8微悬臂动态分析

我们开发的微悬臂的聚合物SU-8,拥有简单加工的优势,低杨氏模量对高分辨率和低对环境温度的敏感性17]。图2显示了扫描电镜图像的八个SU-8微悬臂在一个芯片上。每个微悬臂是495μ100米长,μ5.3米宽,μ米厚。在每个微悬臂的自由端是一个圆形涂黄金垫直径50μm和20纳米的厚度。黄金垫提供well-reflective表面光学检测。


图2
SEM图像的八个SU-8微悬臂用金垫。

为了验证性能的广告,分析模型和有限元方法(FEM)用于计算的共振频率SU-8微悬臂。他们的机械性能主要受形状、材料和几何尺寸。弹簧常数和基本均匀矩形微悬臂的共振频率可以近似真空(1)和(2),分别18] = 3 4 3 , ( 1 ) 1 年代 t = 0 。 1 6 2 2 。 ( 2 ) 表1列出了力学性能和几何尺寸的SU-8微悬臂(19]。基于这些价值观,弹簧常数计算 和共振频率 1 年代 t 微悬臂的0.128±0.02 N / m和6.55±0.4 kHz,分别。

表1
SU-8微悬臂的机械性能和尺寸。

利用有限元分析软件(FEMLAB),模拟谐振频率表中列出2。第一个微悬臂的弯曲模式频率是6.43 kHz, well-matches理论值的6.55±0.4千赫计算(2)。

表2
模拟使用FEMLAB共振频率。

微悬臂的共振频率转移它的质量变化是由于吸收特定的目标分子。实现高质量的敏感性,结合地区为目标分子可以局限于微悬臂的自由端。绑定的质量变化 Δ 可以关联到 1 年代 t 和频率变化 Δ ,见 Δ = 4 2 1 1 年代 t + Δ 2 − 1 1 年代 t 2 。 ( 3 ) 当 Δ 和 Δ 接近于零,(3)可以简化为(4),它描述了质量变化的敏感性 Δ 的频率变化 Δ Δ Δ = − 2 2 1 年代 t 3 。 ( 4 ) 从弹簧常数计算 = 0.128±0.02 N / m和共振频率 1 年代 t 6.55±0.4 kHz,我们可以推出一个敏感性 Δ / Δ −23.2 pg / Hz。较高的共振频率的微悬臂可以显著提高质量的测量分辨率。恒定的采样率,增加采样数据的数量也可以提高频率的测量分辨率,但它会降低测量的速度。

3所示。实验装置

图3演示了一个广告加上OM的框图。通过一个光机位适配器,广告可以很容易地连接到目标的OM(尼康Eclipse E100)。采用CMOS摄像头捕捉的放大图像悬臂控制和显示电脑显示器上的图像对齐过程。一个光源从底部可以照亮的微悬臂提高光学图像的对比。


图3
附加到一个OM框图的广告。

广告是基于一个苗条型DVD光学头的大小 5 0 × 3 5 × 6 毫米。广告的激光二极管产生一束激光的波长655纳米。光学头的非球面物镜的数值孔径(NA) 0.6 2.33毫米的焦距。然而,NA 0.6目标的工作距离只有1.28毫米,这可能会限制一些测量应用程序。工作距离可以被取代小NA物镜放大。NA 0.16物镜有更长的工作距离12毫米。的线性检测范围NA NA 0.6和0.16物镜是6μ米和320μm,分别。

半峰全宽(应用) 焦斑的 = 0 。 5 2 N 一个 。 。 ( 5 )

计算 0.16 0.6和NA NA的客观镜头568 nm和2.13μ分别(应用)。NA 0.6物镜与亚微米激光点有利于检测submicrometer-sized悬臂的变位。

此外,PDIC带宽为80 MHz (−3 dB),适用于高频检测。的 校准过程可以通过直接给悬臂已知的垂直位移。总的来说,广告与NA NA 0.6和0.16对象镜头的测量灵敏度为0.5 nm / mV和50 nm / mV,分别。因为更高的测量分辨率,本文的大多数测量是由广告和NA 0.6物镜。

前置放大器用来放大和转换的信号PDIC聚焦误差信号 然后由高速处理14-Bit采集卡(pci - 9820, ADLINK),采样率高达130 MHz(乒乓球模式)。通过PCI总线的数字数据分析程序在虚拟仪器平台(国家仪器)。获得振动信号处理的快速傅里叶变换(FFT)。使用FFT算法,获得时域信号转换为频域谱,给一个明确的概述的共振频率。

为提高信号噪声比(信噪比),微悬臂通常涂有高反光材料,如黄金。然而,反光层也可以引起不良分子和绑定可能不必要的检测效果。

此外,可以使用纯SU-8表面测量热力学性质的聚合物薄膜废黜悬臂梁表面(20.]。纯粹的振动行为的快速筛查SU-8微悬臂将是一个非常有用的工具分析聚合物材料的力学性能和生物聚合物在不同条件下的降解过程的监控21]。

微悬臂的共振频率是衡量广告的四个条件:有或没有反光涂层;有和没有外部激励。正如所料,信噪比是强烈减少当反射板和外部驱动。振动振幅和微悬臂的信噪比,而反射涂料可以显著提高了外部激励。在我们的实验中,压电陶瓷致动器是由函数发生器驱动微悬臂的持有人。

图4(一个)显示了一个光学显微镜图像的20 nm厚的圆形黄金垫SU-8微悬臂的自由端。通过 , , 粗阶段OM、激光定位和集中发现黄金板。和聚焦过程可以同时监控,如图4(b),激光准直可以调整的 - - - - - - 100纳米的分辨率。


图4
微观的图片(一)圆形黄金垫SU-8微悬臂和(b)激光点关注黄金垫。

4所示。结果与讨论

图5(一个)显示了热噪声频谱和基本微悬臂的共振峰。测量低谐振频率悬臂,前置放大器的带宽使用1 MHz,因此测量信号衰减。进行精确识别共振峰值,安装的光谱数据简单谐振子(商店)函数如图5 (b)。测量共振频率6.328 kHz接近6.55±0.4 kHz的计算结果范围(2)和6.59±0.5 kHz的有限元分析模拟结果。差异可以归因于阻尼效果,被忽视的简化理论模型。此外,杨氏模量的值和聚合物的密度取决于SU-8 microfabrication-processing [22,23)状况可能略有不同的表1。

(一)
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图5
(一)热噪声频谱和(b)商店SU-8悬臂的拟合曲线。

为提高微悬臂的自由振动响应幅值,一个机械激发所产生的压电陶瓷致动器。图6显示了一个比较的热噪声频谱和激动的频谱当激光聚焦于微悬臂的黄金垫。使用外部激励,第一共振峰变得没有激发的4倍。同时,第二共振峰在40 kHz加剧。测量第二个共振频率是略小于40.3 kHz的模拟值。第二次谐波是可见由于外部激励,可以抑制减少压电陶瓷致动器的驱动电压。


图6
热噪声频谱和兴奋光谱激光聚焦于黄金。

因为SU-8表面的反射率低,信噪比的 低于测量金垫。图7显示了热噪声谱和谱与外部激励时旁边的激光聚焦黄金垫。第一共振的振幅峰值几乎是一个数量级低于一个测量金垫。激光位置靠近悬臂基地相比以前的测量,但振动振幅的降低在这个位置不够显著解释信号强度的下降。相信的低信噪比的主要贡献 和较低的 因素与测量的黄金垫SU-8悬臂梁表面的反射率较低。


图7
热噪声频谱和兴奋由激光光谱集中在透明的悬臂的一部分。

然而,结果表明,同质微悬臂的振动行为可以很容易地检测到存在的广告即使没有反光涂层和额外的因素减少信噪比。因此表明,广告具有较高的能力成功地描述这些聚合物结构的弹性性质。图8显示了一个光学显微图像被广告NA 0.1物镜。


图8
显微图像的激光点关注黄金垫用长工作距离的广告。

5。结论

的广告能够测量共振频率SU-8微悬臂有或没有反光涂料。测量结果一致与相应的计算和模拟。广告与OM和集成CMOS相机使悬臂对齐和激光聚焦效率。低反射悬臂表面,外部激励可以用来加强的信噪比。

与光学杠杆技术相比,广告更有优势的高速微悬臂挠度测量,如体积小、容易调整,和高角公差。此外,广告有不同的物镜适用于亚微米悬臂梁和远距离测量的应用。在未来的工作中,广告将被用于测量表面声波(锯)24),广泛应用于无线设备以及在化学/生物传感器。

确认

作者要感谢国家科学理事会的支持台湾(nsc95 - 3114 - p - 001 - 008 - my3),台湾中央研究院,丹麦战略研究委员会(Xsense项目)。