CN100507536C - 兼具纵向和横向压阻系数的悬臂传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含最少一个传感器单元，例如悬臂的传感器。该传感器单元含捕获表面区域和当将电场施加在压敏电阻元件上时，用于直接检测传感器单元应力变化的压阻检测系统。该压敏电阻元件具有沿电流的纵向和与其垂直的横向。该纵向和横向各自具有应力分量和电流分量。该压敏电阻元件是各向异性的材料，并且这样排列，即沿压敏电阻元件长度的至少25%，如沿该长度的至少50%，如沿该长度的至少80%，如沿该长度的至少90%，沿该长度的至少95%的纵向压阻系数π₁和横向压阻系数π_t之和的数值为至少10^-10Pa^-1×P，如2×10^-10Pa^-1×P，如3×10^-10Pa^-1×P，如4×10^-10Pa^-1×P，其中P是压敏电阻因子，其中将压阻系数π₁和π_t确定为用于确定纵向的坐标系中的分量。

Description

兼具纵向和横向压阻系数的悬臂传感器

发明领域

本发明涉及一种含一个或多个传感器单元的传感器，其中各个传感器单元含捕获表面(capture surface)区域和用于直接检测传感器单元应力变化的压阻检测系统。最常用的一类传感器单元是悬臂(cantilever)。

本发明还涉及一种制造这种传感器的方法。

发明背景

在检测流体中组分的技术中，使用基于具有集成压敏电阻器的传感器的悬臂作为非常敏感的机械应力传感器。例如，如WO 0066266和WO9938007所述，可以使用微悬臂来检测分子的相互作用。悬臂的至少一个表面涂有捕获层，该捕获层与所关心的目标分子反应。如果使该悬臂暴露于其中存在目标分子的样品下，则该目标分子将与悬臂表面上的捕获分子反应，从而将产生表面应力变化。

由于悬臂的表面应力变化，将机械压缩、拉伸或减压施加到悬臂上，由此也施加到压敏电阻器上，由此压敏电阻器的电阻率改变其值。机械压缩或减压可以导致偏转和/或拉伸和/或收缩。通过测量电阻的变化，可以确定样品中是否存在目标分子，如果这样可行，也能够检测目标分子的浓度。

Thaysen，哲学博士论文，“Cantilever for Bio-Chemical SensingIntegrated in a Microliquid Handling System”，2001年9月，Microelektronik Centeret，Technical University of Denmark描述了基于具有积分(integrated)压阻读出(read-out)的悬臂的传感器。因此，可以通过压敏电阻器直接测量悬臂传感器上的应力变化。而且，积分读出极大方便了在溶液中的操作，因为流体的折射率不影响检测，而使用光学读出将影响检测。各个传感器可以具有嵌入的基准悬臂，这使得在测量中能够直接减去背景漂移。而且，通过用“模型(dummy)”分子官能化(functionalizing)基准悬臂，在微分测量中会消除测量和基准悬臂上出现的非特异结合的情况。

这两个悬臂可以通过Whetstone桥联系，检测测量悬臂上的应力变化作为来自Whetstone的输出电压。也参考Kassegne等人的“Designissues in SOI-based high-sensitivity piezoresistive cantileverdevices”，Proceedings of the SPIE Conference on Smart Structuresand Materials，San Diego，CA，March 17-21，2002。

本发明的目的是提供一种含一个或多个具有捕获表面的传感器单元的传感器，可以使用该传感器来检测流体中目标如液体或气体中的化学成分的存在，例如用于以高于现有技术的悬臂流体传感器的信号或信/噪比检测流体中的爆炸物、药物、生物组分(biocomponent)或其它组分。

正如将从以下描述中清楚的，已经通过本发明解决了此目的及其它目的，正如在权利要求书中所限定的。

发明公开

本发明的传感器含一个或多个传感器单元。传感器的形状和尺寸、传感器单元的形状和数目及其导线可以是例如，如专利申请WO0066266、DK PA 2001 01724、DK PA 2002 00283、DK PA 2002 00125和DK PA 2002 00195中任何一个公开的，本文中引入它们关于结构的公开(传感器的形状和尺寸、传感器单元的尺寸和数目及其导线)作为参考。

在下文中，仅仅是用一个传感器单元描述了传感器，但应该清楚，传感器单元可以具有若干个传感器单元如高达300个，例如高达100个。

传感器单元一般可以具有任何悬臂状形状，例如，如DK PA 200200125中描述的悬臂。将术语“悬臂形状”定义为沿一个或两个相反边缘线与基材(或两个基材)连接的板形状的单元。因此，术语“悬臂形状”也包括桥以及常规的矩形、三角形或叶状的悬臂。

在一个实施方案中，将传感器单元成型为沿位于两个端部之间的长度延伸并在其两个端部连接的悬臂，从而形成悬臂桥。

在另一个实施方案中，悬臂是仅与一个基材连接的常规矩形或叶状悬臂。在下文中，将这类悬臂称为具有自由端的悬臂。

该传感器单元含两个主表面，其中这两个主表面中的一个或两个全部或部分构成捕获表面。

在一个实施方案中，传感器单元是具有以下平均厚度的柔软板形单元，该平均厚度比其平均长度和其平均宽度都小，所述传感器单元厚度优选为0.05-5微米，如0.1-4微米，如0.2-1微米。

在一个实施方案中，传感器单元是具有以下平均厚度的柔软板形单元，该平均厚度比其平均宽度和平均长度小至少5倍，优选至少小50倍。

例如，传感器单元具有捕获涂层形式的捕获表面。例如，该捕获涂层可以是如申请DK PA 2002 00283和DK PA 2002 00125中任何一个或US6289717、WO 0133226或WO 0014539中描述的，本文中引入它们关于捕获表面的公开作为参考。

在本发明传感器的一个实施方案中，捕获表面是含捕获层的捕获涂层的表面，其中所述捕获层是含检测配位体的层，所述检测配位体可以是特异结合对(specific binding pair)的一员，或其可以适用于捕获一组组分、乃至适用于非特异结合。该检测配位体优选选自RNA低聚物(oligo)、DNA低聚物、PNA低聚物、蛋白质、酶、受体、肽、荷尔蒙、血组分、抗原和抗体。

在本发明传感器的一个实施方案中，捕获表面是含捕获层的捕获涂层，该捕获涂层含聚合物、水凝胶或金属/含金属组分，例如含选自羧酸、磺酸衍生物、酯、酸性卤化物、酰基肼、氨基脲、硫代氨基脲(thiosemicarbaxides)、腈、醛、酮、醇、硫醇、二硫化物、胺、肼、醚、环氧化合物、硫化物、卤化物和它们衍生物中的官能团。

捕获涂层一般可以具有任何厚度。如果捕获涂层非常厚，则由于传感器单元的硬度，灵敏度会下降。例如，所需的厚度可以是分子厚度-2000纳米，如高这2、5、10或50个分子层，或例如0.5-1000纳米，如1-500纳米，如10-200纳米。

在一个实施方案中，悬臂两个主要侧面或其一部分含捕获表面。捕获表面可以是相同的，或者它们可以在以下方面彼此不同，例如覆盖面积的尺寸、捕获分子的类型和/或其浓度。在一个实施方案中，就覆盖面积的尺寸、捕获分子的类型和浓度而言，悬臂的一个主要侧面上的捕获表面与悬臂两个相对主表面的另一个侧面上的捕获表面基本上是相同的。在此情况下，当经受含目标分子的流体时，悬臂上产生的应力在悬臂的两侧将是相等的，因此，如果悬臂是具有自由端的类型，则悬臂将不会弯曲，而仅仅拉伸或收缩。

实际上，制造具有捕获表面相同的两个相对主要侧面的悬臂是非常麻烦的。因此，在大多数情况下，即使当在各主要侧面上都携带捕获表面时，由于在悬臂的相对主要侧面上产生不同的应力，所以悬臂将至少稍微弯曲。

该传感器单元含具有一对导线的压敏电阻元件(piezoresistiveelement)，该导线用于向该压敏电阻元件施加电场。将沿压敏电阻元件的导线之间的距离定义为压敏电阻元件的长度。实际上，这意味着，压敏电阻元件的长度是电流必须通过压敏电阻元件的长度。因此，在一个实施方案中，将压敏电阻元件的长度定义为电流必须通过的长度。

压敏电阻器可以具有任何形状，例如如专利申请WO 0066266、DK PA01724、DK PA 2002 00283、DK PA 2002 00125和DK PA 2002 00195中的任何一个描述的。例如，压敏电阻元件可以是latter形状、曲折形、U形或V形。

实际上，当悬臂与桥连接时，最简单的是以直元件的形式提供压敏电阻元件，或当悬臂具有自由端时，最简单的是以马蹄形的形状提供压敏电阻元件。

当将电场施加到压敏电阻元件上，并且该压敏电阻元件受到应力时，该压敏电阻元件具有沿压敏电阻元件长度的纵向和横向。如果压敏电阻元件不是直的，该纵向和横向可以沿压敏电阻元件的长度变化。

一般可以依照要求校准坐标系，条件是将纵向定义为坐标系中x、y或z轴中的一个，其中有应力分量(composant)和电流分量。由此，可以检测产生的纵向压阻系数(piezoresistive coefficient)π₁和横向压阻系数π_t之和的数值。

在一个实施方案中，为了计算简单，优选应该这样定位坐标系，即只将沿压敏电阻元件长度的给定点的一个方向作为纵向。

在一个实施方案中，将坐标系定位成晶轴。

当这样定位坐标系，即通过压敏电阻元件的电流的方向是纵向时，提供最简单的计算。下面，在实施例中使用此系统。

横向垂直于纵向。在一个实施方案中，横向也具有应力分量。

如果我们考虑传感器压敏电阻元件的局部点的表面应力，则如果不涉及其它的力，传感器一般将在各个方向弯曲成杯形(cup)。因此，在此点，压敏电阻元件在各个方向受力，此应力被分成两个应力分量，纵向的和横向的。为了计算简单，纵向应力分量为电流的方向。

在“Classification and terminology of sensors”，S.M.SZE，半导体传感器，ISBN 0-471-54609-7，1994，John Wiley & Sons Inc.，第160-169页中可以发现有关硅压敏电阻元件中纵向和横向方向的确定的详细资料，本文中引入其作为参考。

在一个实施方案中，压敏电阻元件是直的元件，该压敏电阻元件沿其长度仅具有一个纵向和横向。在另一个实施方案中，将该压敏电阻元件成型为马蹄形，该压敏电阻元件沿其长度具有两个纵向和横向。

压敏电阻元件是各向异性材料，其这样排列，即至少沿压敏电阻元件长度的25％，如沿该长度的至少50％，如沿该长度的至少80％，如沿该长度的至少90％，沿该长度的至少95％的纵向压阻系数π₁和横向压阻系数π_t之和的数值为至少10^-10Pa^-1×P，如2×10^-10Pa^-1×P，如3×10^-10Pa^-1×P，如4×10^-10Pa^-1×P，其中P是压敏电阻因子，其中将压阻系数π₁和π_t确定为用于确定纵向的坐标系中的分量。

在一个实施方案中，沿其整个长度的纵向压阻系数π₁和横向压阻系数π_t之和的数值至少为10^-10Pa^-1×P，如2×10^-10Pa^-1×P，如3×10^-10Pa^-1×P，如4×10^-10Pa^-1×P。

压敏电阻因子P取决于掺杂含量。P为0-1。对单晶硅，P在约10¹⁸的掺杂含量下约为1。在Jonah A.Harley和Thomas W.Kenny的“1/F NoiseConsiderations for the Design and Process Optimization ofPiezoresistive Cantilevers”，Journal of microelectromechanicalsystems.，第9卷，第2期，第226-235页，2000年6月中可以发现有关P因子及其确定的详细资料。特别参考图7。也参考Y.Kanda，“A graphicalrepresentation of the piezoresistance coefficients insilicon”，IEEE Trans。Electron Devices，第ED-29卷，64-70页，1982年1月。

材料中的压敏电阻效应表示由施加到该材料上的小机械应力诱发的体电阻率的部分(fractional)改变。单晶硅具有高的压电电阻率，并与其优异的机械和电子性能结合，这使其成为将机械信号转化为电信号的有用材料。

因此，压敏电阻元件优选是掺杂的单晶硅。在一个实施方案中，压敏电阻元件是掺杂为10¹⁶离子/cm³或更大，如10¹⁷离子/cm³或更大，如10¹⁸离子/cm³或更大，如10¹⁹离子/cm³或更大，如10²⁰离子/cm³或更大的单晶硅。

在一个实施方案中，压敏电阻元件是掺杂为10²⁰离子/cm³或更少，如10¹⁹离子/cm³或更少，如10¹⁸离子/cm³或更少，如10¹⁷离子/cm³或更少的单晶硅。

然而，掺杂离子的含量越高，噪音的量就越低，因此同时信号也将降低。温度也可以影响噪音以及信号，因此，也应该考虑温度效应。基于该教导，本领域普通技术人员可以容易地发现最佳掺杂含量。最佳掺杂含量为10¹⁶-10²¹离子/cm³。

在一个实施方案中，由于掺杂造成的电子多余或不足为10¹⁶-10²¹离子/cm³。

掺杂离子一般可以是可用于掺杂硅的任何种类的离子或离子的混合物。在一个实施方案中，当混合n-型和p-型时，理想的是压敏电阻元件含比另一种类型多至少10¹⁶离子/cm³，如10¹⁷离子/cm³或更多，如10¹⁸离子/cm³或更多，如10¹⁹离子/cm³或更多，如10²⁰离子/cm³或更多的一种类型。

在一个实施方案中，压敏电阻元件是用硼离子、磷离子、砷离子中的一种或多种掺杂的单晶硅。

在一个实施方案中，压敏电阻元件是n-型单晶硅。例如，该n-型单晶硅可是以沿硅的<110>方向定向的。在另一个实施方案中，该n-型硅压敏电阻元件是沿硅的<100>方向定向的。

例如，该压敏电阻元件的厚度至少为10纳米，如10-500纳米之间，如50-300纳米之间，如100-200纳米之间。

正如所提及的，该传感器单元也含用于将电场施加到压敏电阻器上的一对导线，例如，如专利申请WO 0066266、DK PA 01724、DK PA 200200283、DK PA 2002 00125和DK PA 2002 00195中的任何一个描述的。

在根据本发明的传感器的一个实施方案中，在该传感器单元含两个主表面，且这两个主表面中的一个或两个的至少一部分构成捕获表面的情况下，该压敏电阻元件具有50纳米或更小，如100纳米或更小，如200纳米或更小，如400纳米或更小，如1微米或更小，如3微米或更小的中性面距离。中性面距离测量为压敏电阻元件的中平面(middle plan)与中性面(neutral plan)之间的最短距离。将压敏电阻元件的中平面定义为通过平行于中性面的压敏电阻元件的中平面。将中性面定义为这样一个平面，沿该平面作用于压敏电阻元件上的压应力和张应力的总和尽可能接近于零。

在一个实施方案中，传感器单元还含电流屏蔽(current shield)，例如，如2002年6月7日申请的DK PA 2002 00884 DK中描述的。

该屏蔽可以具有扩散屏障层(diffusion barrier)，当使pH值为4的酸性液体在标准条件下与捕获表面接触1乃至2分钟乃至10分钟的时间时，该屏障层足以防止电解质从压敏电阻器中扩散，从而漏电流。

在一个实施方案中，该屏蔽是选自氮化物如氮化硅和氮化钽、不导电的聚合物如十八官能环氧化酚醛树脂(octafunctional epoxidizednovalac)、金属氧化物如氧化铝、陶瓷、金刚石膜、碳化硅、氧化钽、硅、玻璃、混合物和它们组合中的不导电材料。

在一个实施方案中，压敏电阻元件是掺杂的n-型单晶硅，屏蔽是掺杂的p-型单晶硅，优选掺杂含量低于n-型单晶硅压敏电阻元件之掺杂含量的p-型单晶硅。例如，该p-型单晶硅屏蔽可以具有10²⁰cm^-3或更低的掺杂离子浓度，如10¹⁹cm^-3或更低的掺杂离子浓度，如10¹⁸cm^-3或更低的掺离子浓度，如10¹⁷cm^-3或更低的掺杂离子浓度，如10¹⁶cm^-3或更低的掺杂离子浓度，如10¹⁵cm^-3或更低的掺杂离子浓度。

在一个实施方案中，该传感器单元包含底部防护层和顶部防护层以及边缘防护层。底部防护层、顶部防护层和边缘防护层构成屏蔽。

其中传感器单元含屏蔽的传感器优选用于检测液体如含水液体中的物质。

传感器优选含一个或多个流体室(例如液体室)。在一个实施方案中，该一个或多个传感器单元部分或全部凸出到流体室中，因此施加在该室中的流体能够与传感器单元的部分表面形成接触。

例如，该流体室或多个该流体室可以为互相作用室的形式，优选含用于将流体如液体供给到互相作用室中的通道。

在一个实施方案中，将传感器单元或多个传感器单元至少50％的、更优选基本上全部的捕获表面置于流体互相作用室内。

例如，可以按DK PA 2002 00884 DK中描述的制备传感器，差异在于掺杂可以是n-型掺杂，并且这样排列单晶硅压敏电阻元件，即沿压敏电阻元件的主长度，如沿其长度的至少25％，如沿长度的至少50％，如沿长度的至少60％，如沿长度的至少80％，如沿长度的至少90％，沿长度的至少95％的纵向压阻系数π₁和横向压阻系数π_t之和的数值为至少10^-10Pa^-1×P，如2×10^-10Pa^-1×P，如3×10^-10Pa^-1×P，如4×10^-10Pa^-1×P。

附图和实施例

将参考附图和实施例进一步描述本发明的实施方案。

图1说明p-型(A)和n-型(B)硅的压阻系数π₁和π_t。(在室温下，10^-11Pa^-1)。

图2说明用于将测量悬臂的电阻的相对变化转变为电压变化的Wheatstone电桥。

图3分别说明了由于固定1mM巯基已醇，具有n-型压敏电阻元件和具有p-型压敏电阻元件的传感器单元的信号变化。从信号中可以看出，n-型悬臂的信号比p-型压阻悬臂的信号约大8倍。注意，与p-型压阻悬臂相比，n-型压阻悬臂的输出电压的变化是负的。

图4是悬臂的示意图。

图5说明具有应力面的悬臂。

单晶硅中的压电电阻率是各向异性的，因此灵敏度也取决于压敏电阻器相对于硅结晶的定向。根据本发明，已经发现，由下式给出由悬臂表面上产生的应力对相对电阻变化的贡献：

ΔR/R＝σ₁π₁+σ_tπ_t                      (1)

其中，σ_t和σ_t分别是纵向和横向应力，而π_t和π_t表示压阻系数。表1中给出了对于在晶片表面处具有(100)平面的p-型/n-型硅片，在室温和约10¹⁸cm^-3的掺杂含量(p约为1)下的压阻系数()。

表1

确定<110>方向的纵向压阻系数为

π₁＝1/2(π₁₁+π₁₂+π₄₄)，

相应的横向系数是

π_t＝1/2(π₁₁+π₁₂-π₄₄)。

图1说明p-型(A)和n-型(B)硅的压阻系数π₁和π_t。可以看出，n-型压阻系数比p-型系数不对称得多。

当使用具有集成压敏电阻器的悬臂仅作为纵向偏转传感器时，以仅获取纵向应力的方式放置该压敏电阻器。因为通常通过湿蚀刻如KOH释放悬臂，所以，例如，可以以获得良好夹紧(clamping)的方式使悬臂与基材成一直线。通常，湿蚀刻是各向异性的，并且蚀刻<111>方向比蚀刻其它方向慢得多。因为{111}面和{100}面的交叉点沿<110>方向，所以已经发现，理想的是使该悬臂与<110>方向成一直线以将其从良好的夹紧释放出来。

根据本发明，已经发现，在含捕获表面的传感器单元上产生的表面应力在施加表面应力的区域引入恒定的弯曲或拉伸或收缩，在未施加表面应力的位置没有引入弯曲。在夹紧线附近的区域中，可以限制夹紧线方向(常常也是横向)中的弯曲。已经证明横向和纵向获得恒定的弯曲。可以通过将悬臂放在球体上来使情况形象化。因为以电阻相对变化的形式观察改变的表面应力，所以已经发现，横向和纵向应力都必须考虑，而且，已经发现，当悬臂不受其它力如由于夹紧产生的阻力的影响，可以同等地考虑它们，而与压敏电阻材料的宽度和长度无关。因此，已经发现，当这样排列压敏电阻元件，即纵向压阻系数π₁和横向压阻系数π_t之和的数值(10^-11Pa^-1)至少为10×P，如20×P，如30×P，如40×P时，获得最佳的信号或信/噪比，其中P是压敏电阻因子。

实施例1

用以下尺寸并如图4所示模拟悬臂的表面应力灵敏度，同时将压敏电阻器置于<110>方向。在图4中，以剖面侧视图的方式看悬臂。该悬臂的长度约为120微米，宽度约为50微米。

 

悬臂尺寸	厚度[nm]	杨氏模量[GPa]	预应力[MPa]
				Au	30	80	40
SiN	45	200	85
				Si	150	180	20
Sio2	100	70	-290
				SiN	145	200	75

分别用p-型和n-型电阻器模拟单晶硅压敏电阻器。结果是：

p-型

$\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}/{\mathrm{\&sigma;}}_s=2.97\&CenterDot;{10}^{-4}{(N/m)}^{-1}$

n-型

$\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}/{\mathrm{\&sigma;}}_s=-2.83\&CenterDot;{10}^{-3}{(N/m)}^{-1}$

正如从模拟中看出的，用于表面应力灵敏度的n-型单晶硅压敏电阻器的灵敏度几乎是p-型单晶硅压敏电阻器的10多倍。

实施例2

为了举例说明通过使用n-型压阻悬臂而不是p-型压阻悬臂作为表面应力传感器增加敏感度，进行以控制方式改变表面应力的实验。

这样实验的一个例子是当将分子巯基己醇固定到悬臂表面上面的金层上时，测量表面应力的变化。由于巯基己醇中的-SH基与金层之间的结合而进行巯基己醇的固定。当在金表面上形成完全的单层时，完成巯基己醇的固定。由于在此过程中悬臂的表面应力改变，所以可以将其作为来自压阻悬臂的信号变化监视。当已经形成单层时，信号将变成恒定的。于是，将该信号的振幅定义为引入巯基己醇前的信号与在悬臂金上形成巯基己醇单层后来自压敏电阻器的信号之间的差异。

该实验由对两个几乎相同的压阻悬臂的观察组成，其中这两个悬臂的区别在于一个压阻悬臂引入了n-型压敏电阻器，而另一个引入了p-型压敏电阻器。在此实施例中，将该压敏电阻器沿硅晶体的<110>方向放置，且n-型和p-型的P＝1。将压敏电阻器插入如图2所示的Wheatstone电桥中。下式给出来自Wheatstone电桥的输出电压的变化：

$\mathrm{\&Delta;V}=\frac{1}{4}\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}{\mathrm{\&sigma;}}_s\&CenterDot;V$

其中，ΔV是输出电压，V是输入电压，σs是表面应力，ΔR/R是压敏电阻器的电阻的相对变化。

因为由下式给出电阻的相对变化：

$\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}={\mathrm{\&pi;}}_1\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_1+{\mathrm{\&pi;}}_t\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_t$

其中，π₁和π_t分别是纵向和横向的压阻系数。σ₁和σ_t是压阻层中的应力。假设σ₁＝σ_t＝σ，且。

使用上述因素与表1中的压阻系数，可以将p-型压阻悬臂的输出电压写为：

n-型压敏电阻器的写为：

正如从这两个方程中看出的，存在有利于n-型压阻悬臂的约8的灵敏度的差异，对于相同的表面应力，输出电压的变化符号相反。

在该实验中，如WO 0066266所描述的，将悬臂插入微液体处理系统(micro liquid handling system)中。将V＝2.5V施加到Wheatstone电桥上(输入电压)，通过电压表监视来自Wheatstone电桥的信号。首先，通过将水泵送过该系统以使该系统稳定。此后，将1mM巯基己醇引入micro liquid handling system中，从而信号开始改变。图3中的曲线是这种实验的一个例子。可以看出，来自n-型压阻悬臂的信号具有这样的信号，与来自p-型压阻悬臂的信号的变化相比，该信号约大8倍，且符号相反。

实施例3

提供如图4所示的悬臂。以膜形式涂覆金。在涂覆金膜的过程中，沿各个方向拉伸该金膜，因此在释放金层之后，悬臂表面受到应力。通过有限元模拟(finite element simulation)确定表面的应力。在图5中显示的悬臂表面中，通过白色/灰色/黑色表示应力。颜色越深，测量的应力就越高。在夹紧线51附近的区域52中，夹紧线方向中的弯曲受到限制，因此测量的应力水平小于离开夹紧线较长的路53。当离加紧的距离X>0.25×W时，认为横向和纵向的应力都不受该加紧的影响，其中W是该悬臂的宽度

Claims (17)

1.一种传感器，含至少一个悬臂形状的传感器单元，所述传感器单元含捕获表面，和具有一对导线的压敏电阻元件，该导线用于将电场施加在压敏电阻元件上，将沿压敏电阻元件的导线之间的距离定义为压敏电阻元件的长度，当将电场施加到压敏电阻元件上，并且该压敏电阻元件受到应力时，该压敏电阻元件具有沿压敏电阻元件长度的纵向和横向，将纵向定义为坐标系中x、y或z轴中的一个，并且其中有应力分量和电流分量，横向垂直于所述纵向，所述压敏电阻元件是各向异性的材料，并且这样排列，即沿压敏电阻元件长度的至少25％的纵向压阻系数π₁和横向压阻系数π_t之和的数值为至少10^-10Pa^-1×P，其中P是压敏电阻因子，其中将压阻系数π₁和π_t确定为用于确定纵向的坐标系中的分量，其中压敏电阻元件是n-型单晶硅。

2.根据权利要求1的传感器，其中传感器单元含封装在单晶硅电屏蔽中的单晶硅压敏电阻元件。

3.根据权利要求1的传感器，其中将压敏电阻元件封装在不导电材料屏蔽中，该材料选自氮化硅、氮化钽、十八官能环氧化酚醛树脂、氧化铝、陶瓷、金刚石膜、碳化硅、氧化钽、硅、玻璃、和它们的混合物。

4.根据权利要求1的传感器，其中将所述传感器单元成型为沿长度延伸并在其两个端部连接的悬臂，从而形成悬臂桥。

5.根据权利要求1的传感器，其中传感器单元的厚度为0.05-5微米。

6.根据权利要求1的传感器，其中压敏电阻元件的厚度为10-500纳米。

7.根据权利要求1的传感器，其中压敏电阻元件是曲折形的。

8.根据权利要求1的传感器，其中压敏电阻元件是U形的或V形的。

9.根据权利要求1的传感器，其中所述n-型硅压敏电阻元件是沿硅的<110>方向定向的。

10.根据权利要求1的传感器，其中所述n-型硅压敏电阻元件是沿硅的<100>方向定向的。

11.根据权利要求1的传感器，其中压敏电阻元件是用硼离子、磷离子、砷离子中的一种或多种掺杂的单晶硅。

12.根据权利要求1的传感器，其中压敏电阻元件是以大于等于10¹⁶离子/cm³但小于等于10²¹离子/cm³掺杂的单晶硅。

13.根据权利要求1的传感器，其中传感器单元含两个主表面，两个主表面中的一个或两个的至少一部分构成捕获表面，该压敏电阻元件具有50纳米或更小的中性面距离，将中性面距离测量为压敏电阻元件的中平面与中性面之间的最短距离，其中将中平面定义为这样的中平面，其通过平行于中性面的压敏电阻元件，将中性面定义为这样的平面，沿该面作用于压敏电阻元件上的压应力和张应力之和尽可能接近于零。

14.根据权利要求1的传感器，其中该传感器单元含两个主表面，这两个主表面部分或全部构成捕获表面。

15.根据权利要求1的传感器，其中所述传感器含一个或多个流体室，所述一个或多个传感器单元部分或全部凸出到所述流体室中，因此施加在所述室中的流体能够与传感器单元的部分表面形成接触。

16.根据权利要求15的传感器，其中所述一个或多个流体室是互相作用室的形式.

17.根据权利要求1的传感器，其中所述传感器适用于检测液体中的物质。

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