微懸臂梁傳感器在氣體檢測方面的應用

張釗 梅永松 張毅

摘要：本文對微懸臂梁傳感器在三類氣體檢測領域中的研究現狀進行梳理，對微懸臂梁檢測的工作原理和工作模式進行了敘述，并對該類傳感檢測技術的前景做了展望，為微機電系統中傳感技術的應用研究提供參考。

關鍵詞：氣體檢測;工作模式;微懸臂梁

空氣質量問題是社會問題中急需解決的一大難題，解決這一難題的一個關鍵點是對空氣中氣體分子的準確分析。傳統的檢測技術和檢測儀器不能滿足實際檢測的需要，而微懸臂梁傳感技術用于氣體檢測是一個新思路。微懸臂梁傳感器具有高精度、高靈敏等優點，可使用于真空、液體、氣體環境中，廣泛應用于生物、化學多領域。本文綜述了微懸臂梁傳感器在氣體檢測方面的應用，包括一般性氣體，爆炸性氣體和有毒有害氣體，并分析了使用局限性，為今后的氣體傳感器的深入研究提供了新方法。

1 工作原理

微懸臂梁傳感器[1]是一種可以獲取有用信息并將其轉換成可用信號的高精度微型傳感裝置。通過將梁表面接收到的信息轉化成梁的應力形變，或者促使懸臂梁共振頻率偏移，將這一變化通過光學或電學的讀出方法轉為可視信號，利用計算機進行分析處理。

2 工作模式

微懸臂梁[2]應用于氣體檢測主要有兩種工作模式：靜態模式和動態模式。

2.1 靜態工作模式

靜態模式是通過改變梁表面應力實現，具體方法為：將一種可以與待測物質分子發生特異性結合的分子預先修飾在懸臂梁表面的一側，當梁處于包含待測物質分子的環境中時，兩種分子發生結合反應，導致了梁表面應力發生改變，使懸臂梁產生彎曲變化。

2.2 動態工作模式

動態模式是通過測量梁表面質量微小變化實現。質量變化影響梁的共振頻率，梁表面的質量增加，促使其共振頻率減小，通過測量頻率的變化值即可獲知吸附物的質量大小。

3 傳感器在氣體檢測方面的應用

3.1 一般性氣體檢測

微懸臂梁傳感器對氣體進行定量檢測是一個熱點研究方向。2011年，Jin[3]等人在懸臂梁自由端涂上活性炭后，研究了懸臂共振頻率和二氧化碳壓力的關系。2014年，Kim[4]等人研制了一種高靈敏度懸臂型化學機械氫傳感器，可檢測濃度高達4%氮氣中稀釋的氫。2018年，Lv[5]等人用重力型傳感材料，采用共振微懸臂梁傳感器實現了對10ppbco的靈敏檢測。

3.2 爆炸性氣體檢測

爆炸性氣體會對人類的生命財產安全帶來巨大隱患，如何有效地對其定量檢測是迫切需要解決的題。2004年，Pinnaduwage等人對DNT、TNT等爆炸性氣體進行了檢測。2010年，Xu等人用于研制了用于檢測三硝基甲苯（TNT）蒸氣的多壁碳納米管改性共振微懸臂梁化學傳感器。實驗顯示快速檢測ppb水平的TNT蒸氣的能力，以及功能化基團對TNT分子的高度特異性。2011年，Zhu[6]等人將一種比色受體四硫富勒烯官能化吡咯與一種聚酰亞胺微反杠桿結合在一起，可檢測10ppb三硝基苯蒸氣。

3.3 有毒氣體檢測

有毒氣體在空氣中凝結會對人的皮膚產生刺激作用，導致過敏等癥狀，嚴重會導致病變。2006年，Porter[7]等人用嵌入式壓阻式微懸臂梁傳感器來檢測氰化氫氣體。2015年，Ju[8]等人利用組合肽庫和一個石墨表面或苯基端接自組裝單層作為相關的靶表面，實現了定量檢測苯、甲苯和二甲苯亞ppm水平檢測。2016年，Wang等人研究了一種基于納米敏感材料和MEMS技術的新型煤油氣體傳感器，具有較高的靈敏度和線性度。

4 展望

未來可將微懸臂梁傳感技術與納米技術和軟物質技術相結合，致力于發展多選擇性、高穩定性和耐用性的柔性傳感器。

參考文獻：

[1]周夏榮，吳尚犬，伍小平，等.微懸臂梁陣列傳感系統的性能分析[J].中國科技論文，2014，9（08）：861865.

[2]鄔林，夏登明，錢江蓉，等.基于激光陣列的多通道微梁生化傳感系統[J].實驗力學，2017，32（04）：568572.

[3]Yusung J，Dongkyu L，Sangkyu L，et al.Gravimetric analysis of CO2 adsorption on activated carbon at various pressures and temperatures using piezoelectric microcantilevers[J].2011.83（18）：7194.

[4]Kim M O，Lee K，Na H，et al.Highly sensitive cantilever type chemomechanical hydrogen sensor based on contact resistance of selfadjusted carbon nanotube arrays[J].Sensors and Actuators BChemical，2014.197：414421.

[5]Lv Y Q，Xu P C，Yu H T，et al.NiMOF74 as sensing material for resonantgravimetric detection of ppblevel CO[J].Sensors and Actuators BChemical，2018.262：562569.

[6]Zhu W，Park J S，Sessler J L，et al.A colorimetric receptor combined with a microcantilever sensor for explosive vapor detection[J].2011.98（12）：1453.

[7]Porter T L，Vail T，Eastman M，et al.Embedded Piezoresistive Microcantilever Sensors：Materials for Sensing Hydrogen Cyanide Gas[J].2006.915：0915R09040909.

[8]Soomi J，KiYoung L，SunJoon M，et al.Singlecarbon discrimination by selected peptides for individual detection of volatile organic compounds[J].2015.5：9196.

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201910361065）

作者簡介：張釗（1998），男，安徽宿州人，本科，主要研究方向為傳感器開發與應用。