CN102135515A

CN102135515A - 热效应自补偿装置与其补偿方法

Info

Publication number: CN102135515A
Application number: CN2010101064021A
Authority: CN
Inventors: 黄荣山; 辜煜夫; 颜毅广; 关恕; 吴光钟; 林世明; 林品延
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-07-27

Abstract

一种热效应自补偿装置包含基板、埋藏压阻、及微悬臂梁。该埋藏压阻及该微悬臂梁形成于该基板上。热效应自补偿系统包含该埋藏压阻及该微悬臂梁，该埋藏压阻具有第一压阻，该微悬臂梁具有第二压阻，该热效应自补偿系统藉由该第一压阻的温度对压阻关系与该第二压阻的温度对压阻关系进行温度补偿。

Description

热效应自补偿装置与其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种压阻式传感器，特别是涉及具有温度补偿的压阻式传感器。

背景技术

近年来由于纳米科技的发展与生化医疗传感器的小型化与低浓度高精确度的需求，生物传感器的研发正积极地展开。

请参阅图1，其为习知生物传感器的示意图。该生物传感器10包含一待测物分子层101、一辨识分子层102、及一生物转换机制层103。通常待测物以一流体104流过该待测物分子层101，而该辨识分子层102与该流体104不外乎利用抗体与抗原间的构形互补或分子之间的离子键、氢键、范德华力、疏水性引力来互相结合以辨识该待测物，构形互补为两蛋白质分子之间相互结合的机制，就像锁头与钥匙的形状必须互补才能结合。

请参阅表一，其为生物传感器与其可辨识种类列表。生物传感器依其辨识的种类可分成直接生物亲和性与生物催化型，其信号产生方法、生物亲和对应物、及待测物的对应关系如表一。

表一

生物传感器依照信号产生的方式分成光学式、电化学式、及机械式。光学式的生物传感器目前被广泛使用，但由于体积过大而不容易携带。电化学式的生物传感器主要依赖待测物的电子特性，因此局限了量测的多样性。

机械式生物传感器藉由观测待测物与反应物结合后的共振变化推算重量变化，但容易因机械式传感器本身结构的影响导致灵敏度不佳，因此研究焦点转向压阻式微悬臂梁。

压阻式微悬臂梁主要利用应力对微悬臂梁的影响来检测待测物。当待测物吸附在悬臂梁上时，由于分子间的作用力，其表面的应力会产生改变而使该微悬臂梁往上或往下弯曲，因而使压阻产生改变。分子间的作用力包含静电力的相吸或互斥、因分子间的空间限制而产生的推挤效应、微悬臂梁表面亲疏水性的变化、被吸附生物分子的构形变化、及环境溶液的转变。

压阻式微悬臂梁的缺点是温度变化所造成的压阻热效应与双膜效应。压阻热效应是因为压阻本身的电阻系数会受到温度的影响而改变，所以造成压阻的改变，此种改变称为压阻热效应。双膜效应是因为通常压阻式微悬臂梁为多层复合材料，其中每一层的热膨胀系数都不同，当温度改变时，每一层膨胀的长度不同造成该压阻式微悬臂梁受到应力而往上或往下弯曲，所以造成压阻的改变。因环境温度所造成的压阻变化是造成误差的主因，所以有许多改善的方法被提出来。

请参阅图2(a)，其为现有双微悬臂梁感测装置的示意图。该双微悬臂梁感测装置20包含参考微悬臂梁201、感测微悬臂梁202、及惠斯通电桥203。该惠斯通电桥203包含电阻R1、电阻R2、电阻R3、及电阻R4。电压V_IN提供该惠斯通电桥203的电压来源，分压V₁₃为该电阻R1及该电阻R3的分压，分压V₂₄为该电阻R2及该电阻R4的分压，电压V_OUT＝V₁₃-V₂₄。

该参考微悬臂梁201具有一参考压阻R-ref，该参考压阻R-ref与该电阻R2并联相接，该感测微悬臂梁202具有一感测压阻R-sensor，该感测压阻R-sensor与该电阻R1并联相接。若不考虑该参考压阻R-ref与该感测压阻R-sensor的影响，根据分压定理，该分压V₁₃＝V_IN×R3/(R1+R3)，该分压V₂₄＝V_IN×R4/(R2+R4)，因此该电压V_OUT＝V₁₃-V₂₄＝V_IN×[(R3/(R1+R3))-(R4/(R2+R4))]。实际的应用上R1＝R2＝R3＝R4＝R，且当只有该电阻R1有微小变化ΔR1时，该电压V_OUT＝V_IN×[(R/(ΔR1+R))-(R/2R)]，因ΔR1＜＜R，所以V_OUT≒V_IN×(-ΔR1/4R)，在此用V_OUT1代表ΔR1所造成的输出电压。此结果代表当该电阻R1有一微小变化ΔR1时，则微小变化ΔR1转换成该电压V_OUT1，该电压V_OUT1再经过放大器的放大而可量测该电压V_OUT1被放大后的变化。

同理，当只有该电阻R2有一微小变化ΔR2时，该电压V_OUT＝V_IN×[(R/2R)-(R/(ΔR2+R))]≒V_IN×(ΔR2/4R)，在此用V_OUT2代表ΔR2所造成的输出电压。若考虑该感测压阻R-sensor与该参考电阻R-ref，可依照上述的方法推得该电压V_OUT。理论上，若该参考微悬臂梁201与该感测微悬臂梁202材质相同，则当温度变化时，ΔR1＝ΔR2，该电压V_OUT1与该电压V_OUT2会互相抵消。

在实际的应用上，由于不同的量测功能，在该感测悬臂梁在表面上镀的材料会与该参考悬臂梁上所镀的材料不同，因此当温度改变时，ΔR1≠ΔR2，双膜效应会影响到检测的准确性。此外，若待测溶液的酸碱浓度(ph值)不同时，会造成该电压V_OUT1与该电压V_OUT2呈现相位相反的状况，进而干扰真实信号的判读。

请参阅图2(b)，其为现有微悬臂梁与待测溶液ph值的关系图。横轴代表待测溶液与该参考微悬臂梁201反应的时间及该待测溶液与该感测微悬臂梁202反应的时间，单位为分。纵轴代表电压单位为伏特，空心圆形代表在该感测微悬臂梁202上所感测到的信号，实心圆形代表在该参考微悬臂梁201上所感测到的信号。由图2(b)中可知该待测溶液的ph值慢慢的从小到大，经过260分后，该待测溶液的ph值为12，但是在该感测微悬臂梁202上与在该待测悬臂梁上所量测到的电压的相位却是相反的，因此无法判读真实的信号是什么。

发明内容

鉴于背景技术的缺点，本发明提出改善上述状况的方法，采用单微悬臂梁和埋藏压阻，利用该埋藏压阻与单微悬臂梁阻对温度变化的关系，对该单微悬臂梁做热效应补偿，此种方法可消除双膜效应与压阻热效应对该单微悬臂梁所产生的影响。

本发明的第一方面在于提供一种热效应自补偿装置，该热效应自补偿系统包含埋藏压阻及微悬臂梁。该埋藏压阻具有第一压阻。该微悬臂梁具有第二压阻。该热效应自补偿系统藉由该第一压阻对温度变化的关系与该第二压阻对该温度变化的关系进行温度补偿。

本发明的第二方面在于提供另一种热效应自补偿装置，该热效应自补偿系统包含埋藏压阻及微悬臂梁。该埋藏压阻具有第一压阻，该第一压阻与环境温度相关。该微悬臂梁具有第二压阻，该第二压阻与该环境温度相关。该热效应自补偿系统经由测量该第一压阻来计算第一压阻值，当该环境温度改变时，该热效应自补偿系统藉由该第一压阻对该环境温度改变的关系与该第二压阻对该环境温度改变的关系进行温度补偿。

优选地，该第一压阻为该环境温度的函数且具有第一温度压阻函数的性质。该第二压阻为该环境温度的函数且具有第二温度压阻函数的性质。该热效应自补偿系统测量该第一压阻而获得第二压阻值。该热效应自补偿系统根据该第二压阻值与该第一温度压阻函数而计算环境温度值。该热效应自补偿系统根据该环境温度值与该第二温度压阻函数计算该第一压阻值。

优选地，该第一温度压阻函数只与压阻热效应相关。

优选地，该第二温度压阻函数与压阻热效应及双膜效应相关。

优选地，该埋藏压阻为参考压阻器，该参考压阻器具有该第一压阻，该第一压阻只受到压阻热效应的影响。

优选地，该参考压阻器作为温度计。

优选地，该微悬臂梁包含感测压阻器，该感测压阻器具有第二压阻，该第二压阻受到双膜效应与压阻热效应的影响。

优选地，该参考压阻器的材料与该感测压阻器的材料为具压阻性质的材料，该具压阻性质的材料为多晶硅及单晶硅的其中之一。

优选地，该微悬臂梁的材料为多层复合材料。

优选地，该多层复合材料为具有多晶硅的半导体及具有单晶硅的半导体的其中之一。

本发明的第三方面在于提供又一种热效应自补偿装置，该热效应自补偿系统包含基板、埋藏压阻、及微悬臂梁。该埋藏压阻形成于该基板上。该微悬臂梁形成于该基板上。

本发明的第四方面在于提供一种热效应自补偿方法，该方法包含下列步骤：(a)量测埋藏压阻的第一压阻，利用该第一压阻计算环境温度值。(b)利用该环境温度值计算第一压阻值。(c)依据该第一压阻值进行热效应补偿。

优选地，当微悬臂梁未进行量测且环境温度变化时，建立第一温度压阻函数，与第二温度压阻函数，该第一温度压阻函数与该第一压阻及该环境温度相关，该第二温度压阻函数与该第一压阻值及该环境温度值相关。藉由该第一压阻与该第一温度压阻函数计算该环境温度值。

优选地，藉由该环境温度值与该第二温度压阻函数计算该第一压阻值。

优选地，当该微悬臂梁进行量测时，量测该微悬臂梁的第二压阻。利用该第一压阻值对该第二压阻进行该热效应补偿。

附图说明

图1是生物传感器的示意图；

图2(a)是现有双微悬臂梁感测装置的示意图；

图2(b)是现有微悬臂梁与待测溶液ph值的关系图；

图3是本发明热效应自补偿系统的示意图；

图4(a)是本发明第二压阻值R-fix与环境温度的曲线图；

图4(b)是本发明第三压阻值R-lever与环境温度的曲线图；

图5(a)是本发明第二电压随环境温度而变化的曲线图；

图5(b)是本发明第一电压随着环境温度而变化的曲线图；

图5(c)是本发明扣除压阻热效应与双膜效应后的电压曲线图；

图6是本发明压阻传感器的示意图；及

图7是本发明热效应自补偿系统的补偿方法的流程图。

其中：101：待测物分子层；102：辨识分子层；103：生物转换机制层；104：流体；20：双微悬臂梁感测装置；201：参考微悬臂梁；202：感测微悬臂梁；203：惠斯通电桥；30：热效应自补偿系统；301：压阻传感器；302：处理单元；3011：微悬臂梁；3012：参考微臂梁；3013：基板；3022：模拟数字转换器；3023：惠斯通电桥；3024：计算机；3025：差动放大器；3026：减法器；3027：欧姆计；30110：感测压阻器；30120：参考压阻器；601，602，603，604：导线；605，606，607，608：导片；R1，R2，R3，R4：电阻；R-ref：参考压阻；R-sensor：感测压阻；Vin，Vout：电压；V₁₃，V₂₄：分压；P1，P2，P3，P4：端点。

具体实施方式

请参阅图3，其为本发明热效应自补偿系统的示意图。该热效应自补偿系统30包含压阻传感器301与处理单元302。该压阻传感器301包含微悬臂梁3011、参考微臂梁3012、及基板3013。该参考微臂梁3012包含参考压阻器30120，该参考压阻器30120具有第一压阻，该微悬臂梁3011包含感测压阻器30110，该感测压阻器30110具有第二压阻。该处理单元302包含模拟数字转换器3022、惠斯通电桥3023、计算机3024、差动放大器3025、减法器3026、及欧姆计3027。

该感测压阻器30110并联该惠斯通电桥3023的电阻，该惠斯通电桥3023因应该第二压阻的微小变动而产生电压Vout，该差动放大器3025接收该电压Vout而产生该第二电压V2。该参考压阻器30120与该模拟数字转换器3022相连接，该模拟数字转换器3022测量该第一压阻而获得第二压阻值。

本发明较佳的实施例是以该热效应自补偿系统30测量该第一压阻，透过第一温度压阻函数转换为环境温度，再将环境温度代入第二温度压阻函数来计算第一压阻值R-noise，该第一压阻值R-noise是在无待测物的状况下推算出来的值。首先在该计算机3024中利用程序建立两个函数，该两个函数是在无测待测物的状况下所建立的，且与环境温度相关。先将该压阻传感器301置入温控装置中(未显示)，渐渐加热使环境温度改变，在实验室中利用该模拟数字转换器3022量测该第一压阻而获得第二压阻值R-fix，且利用欧姆计3027量测该第二压阻而获得第三压阻值R-lever。

该第二压阻值R-fix受到环境温度的影响，该第三压阻值R-lever亦受到环境温度的影响，该第二压阻值R-fix与该第三压阻值皆为环境温度的函数。因此该第二压阻值R-fix可表示为第一温度压阻函数f1(T)＝aT²+bT+c，该第一压阻值可表示为第二温度压阻函数f2(T)＝dT²+eT+f，其中T代表环境温度值，a、b、c、d、e、及f代表材料常数。在加热的过程中，随着环境温度的升高，将该第二压阻值R-fix与该第三压阻值R-lever纪录下来，依此方法在压阻与环境温度的关系图中可绘出两条曲线，并可求出材料常数a、b、c、d、e、及f。在此使用t来表示实际的环境温度，以与环境温度值T做区别。

请参阅图4(a)，其为本发明第二压阻值R-fix与环境温度的曲线图，横轴代表环境温度t，纵轴代表该第二压阻值R-fix。由图4(a)可知，当环境温度升高时，该第二压阻值R-fix也跟着变大，在41℃时，该第二压阻值R-fix约为2775欧姆。

请参阅图4(b)，其为本发明第三压阻值R-lever与环境温度的曲线图，横轴代表环境温度t，纵轴代表该第三压阻值R-lever。由图4(b)可知，当环境温度升高时，该第三压阻值R-lever也跟着变大，在41℃时，该第三压阻值R-lever约为2782欧姆。

因为该第二压阻值R-fix不是微悬臂梁而是埋藏压阻所具有的压阻值，所以该第二压阻值R-fix只会受到压阻热效应所影响，而不会受到双膜效应的影响。因为该第三压阻值R-lever为微悬臂梁所具有的压阻值，所以该第三压阻值R-lever会同时受到压阻热效应与双膜效应的影响，这造成该第三压阻值R-lever与该第二压阻值R-fix在相同温度之下有不同的压阻值。

接下来是有待测物的状况下的量测，若该热效应自补偿系统30要利用该第一压阻对该第二压阻做温度补偿，较佳的方法只需量测该第二压阻值R-fix，然后把该第二压阻值R-fix代入该第一温度压阻函数f1(T)＝aT²+bT+c，求得该环境温度值T之后，再把该环境温度值T代入该第二温度压阻函数f2(T)＝dT²+eT+f，就能得到该第一压阻值R-noise，该第一压阻值R-noise是该微悬臂梁3011单纯只受到该环境温度所造成的压阻热效应与双膜效应的影响，但不受待测物对该微悬臂梁3011所产生的应力的影响。该参考压阻器30120可当做温度计。

在有待测物的状况下，第四压阻值R-object是直接从该微悬臂梁3011量测该第二压阻而得，该第四压阻值R-object不仅受到双膜效应与压阻热效应的影响，而且还受到待测物对该微悬臂梁3011所产生的应力的影响。因此将该第四压阻值R-object减去该第一压阻值R-noise，透过该处理单元302的处理，就可以把双膜效应与压阻热效应对该微悬臂梁3011的影响抵消，而得到不受环境温度影响的压阻，也就是说，当该环境温度t改变时，该热效应自补偿系统30藉由该第一压阻对该环境温度改变的关系与该第二压阻对该环境温度改变的关系进行一温度补偿。

在图3中，当该环境温度t变化时，该第四压阻值R-object也跟着变化，当该第四压阻值R-object变化时，该惠斯通电桥3023将该第四压阻值R-object的变化值ΔR-object转换后经过该差动放大器3025放大为第二电压V2。当该环境温度t变化时，该第二压阻值R-fix也跟着变化，当该第二压阻值R-fix变化时，该计算机3024藉由该第二压阻值R-fix、该第一温度压阻函数、及该第二温度压阻函数计算该第一压阻值，再经由该计算机3024仿真惠斯通电桥与放大电路将该第一压阻值R-noise转换成第一电压V1，该第二电压V2与该第一电压V1经由该减法器3026，可得到该第二电压V2减去该第一电压V1的差值，因此可得不受温度所影响的一电压ΔV，也就是说，当该环境温度t改变时，该压阻式感测系统30利用该第一电压V1对该第二电压V2进行该温度补偿。

请参阅图5(a)，其为本发明第二电压随环境温度而变化的曲线图。横轴代表时间，纵轴代表该第二电压V2。在图5(a)中代表随着时间的增加，环境温度t从13.6℃上升到40.7℃，该第二电压V2的变化从0伏特到大约0.64伏特，约每1℃产生23.6微伏特的变化，此为压阻热效应与双膜效应所造成的电压变化。

请参阅图5(b)，其为本发明第一电压随着环境温度而变化的曲线图。横轴代表时间，纵轴代表该第一电压V1。

请参阅图5(c)，其为本发明扣除压阻热效应与双膜效应后的电压曲线图。将该第二电压V2减去该第一电压V1后，就可以得到图5(c)中的曲线图。由图5(c)的结果可发现在环境温度27.1℃时，该环境温度造成该电压ΔV仅0.052伏特，约为每1℃产生2微伏特的变化，远比在图5(a)中未补偿的该第二电压改善了将近10倍。

请参阅图6，其为本发明压阻传感器的示意图。该微悬臂梁3011包含该感测压阻器30110，该参考微臂梁3012包含该参考压阻器30120。该参考压阻器30120包含端点P1与端点P2，该端点P1连接导线601，该导线601连接至导片605，该端点P2连接导线602，该导线602连接至导片606。

该感测压阻器30110包含端点P3与端点P4，该端点P3连接该导线603，该端点P4连接导线604，该导线603连接至导片607，该导线604连接至导片608，如同图6所示。

为了防漏电与内应力平衡的需要，本发明所使用的微悬臂梁包含五层材料，从顶端到底层的材料种类与厚度如表一所示

表一

材料	厚度(纳米)
		金	35
氮化硅	350
		多晶硅	180
氮化硅	600
		二氧化硅	100

请参阅图7，其为本发明热效应自补偿系统的补偿方法的流程图。本发明热效应自补偿系统的补偿方法如下列步骤：

步骤S701：量测埋藏压阻的第一压阻，利用该第一压阻计算环境温度值。

步骤S702：利用该环境温度值计算第一压阻值。

步骤S703：依据该第一压阻值进行热效应补偿。

该步骤S701包含步骤S7011及步骤S7012两个步骤。步骤S7011：当微悬臂梁未进行量测且环境温度变化时，建立第一温度压阻函数，与第二温度压阻函数，该第一温度压阻函数与该第一压阻及该环境温度相关，该第二温度压阻函数与该第一压阻值及该环境温度值相关。步骤S7012：藉由该第一压阻与该第一温度压阻函数计算该环境温度值。

该步骤S702包含步骤S7021：藉由该环境温度值与该第二温度压阻函数计算该第一压阻值。

该步骤S703包含步骤S7031及步骤S7032。步骤S7031：当该微悬臂梁进行量测时，量测该微悬臂梁的第二压阻。步骤S7032：利用该第一压阻值对该第二压阻进行该热效应补偿。

综上所述，本发明所提的热效应自补偿系统30提供温度补偿的机制把环境温度对该微悬臂梁3011所造成的压阻热效应与双模效应消除。本发明的说明与实施例已于上文中公开，然其非用来限制本发明，凡本领域技术人员，在不脱离本发明的精神与范围之下，可做出各种修改与修饰，其仍应属在本发明专利的涵盖范围之内。

Claims

1.一种热效应自补偿系统，包含：

埋藏压阻，具有第一压阻；及

微悬臂梁，具有第二压阻，

其中该热效应自补偿系统藉由该第一压阻对温度变化的关系与该第二压阻对该温度变化的关系进行温度补偿。

2.一种热效应自补偿系统，包含：

埋藏压阻，具有第一压阻，该第一压阻与环境温度相关；及

微悬臂梁，具有第二压阻，该第二压阻与该环境温度相关，

其中该热效应自补偿系统经由测量该第一压阻来计算第一压阻值，当该环境温度改变时，该热效应自补偿系统藉由该第一压阻对该环境温度改变的关系与该第二压阻对该环境温度改变的关系进行温度补偿。

3.如权利要求2所述的热效应自补偿系统，其中：

该第一压阻为该环境温度的函数且具有第一温度压阻函数的性质；

该第二压阻为该环境温度的函数且具有第二温度压阻函数的性质；

该热效应自补偿系统测量该第一压阻而获得第二压阻值；

该热效应自补偿系统根据该第二压阻值与该第一温度压阻函数而计算环境温度值；及

该热效应自补偿系统根据该环境温度值与该第二温度压阻函数计算该第一压阻值，其中：

该第一温度压阻函数只与压阻热效应相关；或

该第二温度压阻函数与压阻热效应及双膜效应相关。

4.如权利要求2所述的热效应自补偿系统，其中该埋藏压阻包含参考压阻器，该参考压阻器具有该第一压阻，该第一压阻只受到压阻热效应的影响，其中：

该参考压阻器作为温度计；或

该微悬臂梁包含感测压阻器，该感测压阻器具有第二压阻，该第二压阻受到双膜效应与压阻热效应的影响，其中该参考压阻器的材料与该感测压阻器的材料为具压阻性质的材料。

5.如权利要求2所述的热效应自补偿系统，其中该微悬臂梁的材料为多层复合材料，其中该多层复合材料其中一层为具压阻性质的材料。

6.一种热效应自补偿装置，包含：

基板；

埋藏压阻，形成于该基板上；及

微悬臂梁，形成于该基板上。

7.如权利要求6所述的热效应自补偿装置，其中：

该埋藏压阻为参考压阻器，且该埋藏压阻只受到压阻热效应的影响，其中该参考压阻器作为温度计；或

该微悬臂梁包含感测压阻器，且该微悬臂梁受到双膜效应与压阻热效应的影响。

8.一种热效应补偿方法，该方法包含下列步骤：

(a)量测埋藏压阻的第一压阻，利用该第一压阻计算环境温度值；

(b)利用该环境温度值计算第一压阻值；及

(c)依据该第一压阻值进行热效应补偿。

9.如权利要求8所述的方法，其中在步骤(a)之前包含下列步骤：

(a1)当微悬臂梁未进行量测且环境温度变化时，建立第一温度压阻函数，与第二温度压阻函数，该第一温度压阻函数与该第一压阻及该环境温度相关，该第二温度压阻函数与该第一压阻值及该环境温度值相关；及

(a2)藉由该第一压阻与该第一温度压阻函数计算该环境温度值。

10.如权利要求9所述的方法，其中：

在步骤(b)之前包含下列步骤：

(b1)藉由该环境温度值与该第二温度压阻函数计算该第一压阻值；及

在步骤(c)之前包含下列步骤：

(c1)当该微悬臂梁进行量测时，量测该微悬臂梁的第二压阻；及

(c2)利用该第一压阻值对该第二压阻进行该热效应补偿。