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表面应力敏感微梁的设计制作及双光栅干涉测量方法

作　者: 冯金扬
导　师: 叶雄英
学　校: 清华大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 集成双光栅干涉表面应力微位移图像测量
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

生化检测技术在疾病诊断、食品安全、环境监测、国防和反恐等方面有广泛的应用需求。基于微梁的阵列传感器是生化检测向微型化、集成化、高通量、多目标、高灵敏度检测方向发展的一种重要方法。本论文以开发高通量、高灵敏度、低检测限的生化检测技术为目标，研究基于集成双光栅干涉与CCD检测结合的阵列位移测量方法，将其应用于微梁阵列生化结合表面应力的检测，为实现阵列化生化检测提供一种途径。围绕这个目标，本文完成的主要工作包括：首先阐述了集成双光栅干涉位移测量的基本原理，并利用基于矢量衍射理论的商业软件，计算了不同参数下集成光栅的输出光强；继而对仿真得到的输出光强进行余弦拟合，得到拟合的标准偏差。接着，分析了集成光栅可动部件与光栅间距和占空比对余弦拟合标准偏差、光强衬比度和输出光强峰值的影响，且指导设计了集成双光栅。最后，设计了集成双光栅干涉扩量程位移测量的计算流程，通过仿真进行了验证。研究了敏感表面应力的平动式微梁的力学模型，结合对微梁位移响应灵敏度和机械热噪声分析，进行了结构材料的选择及微梁的结构设计。通过有限元仿真，对支撑梁结构参数和其表面敏感层长度进行了优化。分析了集成双光栅干涉表面应力敏感结构的检测灵敏度和生化检测中的补偿方法。在透明基底上，摸索了利用金属反射辅助层进行玻璃浅槽上对准光刻及剥离图形化金属光栅等关键工艺，设计了铝作为牺牲层的聚合物表面微加工工艺流程，进行了三次流片加工，制作出了平动式聚酰亚胺微梁阵列。构建了基于CCD的成像测试系统，并对其进行了噪声测试及分析，结果表明：影响测试系统噪声的主要因素是扩束激光的光强漂移和随机噪声，复杂的成像光路使得系统噪声明显增大，而液体环境中测试噪声也有所增加。同时，对加工得到的集成双光栅微梁进行了测试实验，测得铝梁在空气中650nm的位移回复过程，以及聚酰亚胺微梁在溶液中850nm的位移变化，验证了集成双光栅微梁扩量程位移测量方法的可行性。利用聚酰亚胺微梁进行了羊抗兔IgG和兔IgG对的免疫反应初步实验。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-20
  1.1 课题背景和意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-18
    1.2.1 微梁生化检测技术的研究现状  9-14
    1.2.2 集成光栅干涉微位移测量方法的研究现状  14-18
  1.3 论文研究目标和主要任务  18-20
    1.3.1 论文研究目标  18-19
    1.3.2 论文研究内容  19-20
第2章集成双光栅干涉微位移测量的光学理论基础及设计  20-40
  2.1 集成双光栅干涉位移测量基本原理  20-24
    2.1.1 集成光栅干涉位移测量原理  20-23
      2.1.1.1 基本原理  20-21
      2.1.1.2 基于标量衍射理论的矩形槽光栅模型  21-23
    2.1.2 集成双光栅干涉位移测量原理  23-24
  2.2 基于矢量衍射理论的仿真及分析  24-34
    2.2.1 集成光栅输出光强的计算  25-28
    2.2.2 输出光强的余弦拟合及分析  28-31
    2.2.3 间距和占空比的影响  31-34
  2.3 集成双光栅的参数选择与扩量程位移的计算流程  34-39
    2.3.1 参数选择  34-35
    2.3.2 集成双光栅扩量程位移的计算流程  35-37
    2.3.3 仿真  37-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章集成双光栅表面应力敏感微梁的设计  40-59
  3.1 集成双光栅表面应力敏感微梁的工作原理  40-41
  3.2 表面应力敏感微梁的力学理论分析  41-46
    3.2.1 微梁结构及静态特性分析  41-45
    3.2.2 动态特性分析  45-46
  3.3 微梁的结构设计及仿真  46-54
    3.3.1 结构设计  46-49
    3.3.2 结构的有限元仿真  49-54
      3.3.2.1 有限元模型  49-50
      3.3.2.2 支撑梁结构尺寸对灵敏度的影响  50-52
      3.3.2.3 模态分析  52-53
      3.3.2.4 敏感层长度的优化设计  53-54
  3.4 灵敏度分析及补偿结构设计  54-58
    3.4.1 灵敏度分析  54-56
    3.4.2 补偿结构设计  56-58
  3.5 本章小结  58-59
第4章微梁阵列敏感芯片的制作  59-84
  4.1 铝梁阵列加工工艺  59-62
    4.1.1 工艺流程设计  59-60
    4.1.2 加工结果与分析  60-62
  4.2 聚酰亚胺微梁阵列加工工艺  62-83
    4.2.1 工艺设计  62-63
    4.2.2 关键工艺  63-71
      4.2.2.1 基底上刻蚀凹槽的深度控制  64
      4.2.2.2 玻璃浅槽上的剥离工艺  64-68
      4.2.2.3 淀积金属牺牲层  68-70
      4.2.2.4 表面牺牲层结构释放  70-71
    4.2.3 夹心反射面结构的加工  71-78
      4.2.3.1 夹心反射面结构的工艺流程  71-72
      4.2.3.2 夹心反射面结构的流片结果  72-78
    4.2.4 单层聚酰亚胺结构的加工  78-83
      4.2.4.1 单层聚酰亚胺结构的工艺流程  78-80
      4.2.4.2 单层聚酰亚胺结构的流片结果  80-83
  4.3 本章小结  83-84
第5章集成双光栅微梁测试实验  84-109
  5.1 实验装置  84-91
    5.1.1 实验装置的构成  84
    5.1.2 光路系统  84-87
    5.1.3 图像处理方法  87-89
    5.1.4 微流体系统  89-91
  5.2 测试系统的噪声测试及分析  91-99
    5.2.1 CCD 的噪声测试  91-92
    5.2.2 扩束激光的噪声测试  92-95
    5.2.3 检测系统整体噪声测试  95-99
  5.3 微梁位移测试实验  99-106
    5.3.1 铝梁位移测试实验  99-103
    5.3.2 聚酰亚胺结构位移测试实验  103-106
  5.4 免疫反应初步实验  106-108
    5.4.1 芯片制备及实验方法  107
    5.4.2 免疫反应初步实验  107-108
  5.5 本章小结  108-109
第6章结论及展望  109-112
  6.1 论文的主要工作及结论  109-110
  6.2 主要贡献和创新点  110
  6.3 问题与展望  110-112
参考文献  112-117
致谢  117-119
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  119-120

表面应力敏感微梁的设计制作及双光栅干涉测量方法

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