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介绍

随着科技的进步和时代的发展，越来越多的化学和生物传感器被要求在气体或液体环境中使用，在存在干扰化合物的情况下，要求传感器的功耗降低但对 低浓度目标分析物的灵敏度还需提高。由于对悬臂传感器的设计和理论有很全面的了解，且其制造工艺相对成熟，测量谐振传感器的频率位移所需的接口电路已经成熟，并有充分的记录；分子都具有质量，这使得可以用质量敏感的方法来检测任何目标物种，故基于悬臂的传感器是一种具有吸引力的技术。但对特定分析物的检测可能会因化学干扰的存在而变得复杂，对 低浓度的准确检测会受到环境噪声和传感器固有的检测限（LOD）的限制。为了解决化学干扰、噪声和LOD这三个难题，可以通过改进化学敏感吸附层来同时解决，化学敏感吸附层通常应用于质量敏感的悬臂式传感器的表面。

经研究可知，在整个悬臂梁结构上添加一个均匀应用的吸附层会显著降低器件的机械和电气特性，故研究者们进一步研究，将吸附剂层限制在梁尖端附近，以提供在高应变区保持（硅）梁所需的机械性能且保持Q因子的数量级。喷墨打印已被证明是一种实现局部聚合物沉积的方法，将吸附剂聚合物溶解在相容的溶剂中，然后通过压电喷墨打印技术沉积到基板上。

D. S. Gottfried等研究者们提出了在平面内弯曲模式下共振的硅锤头悬臂的头部区域中形成集成凹槽结构，吸附剂膜通过喷墨打印系统（MicroFab Jetlab Ⅱ）沉积，并定位在凹槽结构中，与悬臂支撑梁的高应变区域相距很远，这个创新用于在空气中运行的谐振器中，可在显著降低Q因子退化的情况下改善沉积的吸附剂膜的质量。

使用有限元分析（COMSOL Multiphysics）对集成凹槽结构对器件性能的影响进行建模。模拟表明，将5µm集成凹槽结构引入到未涂覆的9µm厚锤头装置中，导致锤头装置的预期基本面内共振频率为489kHz（图2）。模拟进一步表明，由于吸附剂聚合物层的增加质量，PIB在凹陷结构中的局部沉积导致谐振频率下降至450kHz。模拟数据与实验结果对比得出，凹陷的9μm锤头结构在涂覆前的平面内共振频率约为483kHz。通过喷墨打印局部沉积5μm的PIB，使共振频率降低到445kHz。在涂覆7µm PVAc的器件的情况下，模拟得到的平面内共振频率为420kHz，而测量频率为410kHz（见图3）。

结论

介绍了一种用于吸附剂聚合物层局部沉积的具有集成凹区的质量敏感化学传感器平台的设计、模拟和表征，证明了喷墨打印提供局部聚合物沉积的潜力。提出的集成凹槽提供了将吸附层限制在远离支撑束高应变区域的能力，这在Q因子降低方面比均匀涂层器件具有明显的优势，并最终转化为增强的化学灵敏度和分辨率。未来将研究传感器阵列的涂层和操作的可能性，每个传感器阵列都有独特的吸附层，目标是在存在化学干扰的情况下可靠地检测气相或液相中的目标分析物。