IEEE MEMS2025 | 微加工二氧化硅谐振器在生物传感中的应用

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引言
  S! [  y$ {) P4 A% F6 W生物传感技术在过去三十年间取得了显著进展，改变了生物相互作用的检测和测量方法。生物传感器主要由三个基本部分构成：针对目标分析物提供特异性的生物选择分子、将生物相互作用转换为电信号的转换器，以及提供定量测量或二元识别的读出接口。本文探讨微加工谐振器基生物传感器的基本原理和应用[1]。
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; @8 x0 q& _- d  z5 B4 ]' Y图1：弹簧-质量强迫振动系统示意图及其频率响应特性，展示了谐振器工作的基本原理。
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谐振器基本原理
谐振器的特性主要由两个关键参数决定：谐振频率和品质因数（Q因子）。以简单的弹簧-质量驱动谐振系统为例，当外力以特定频率施加时，系统在谐振频率下表现出最大振幅。谐振现象通过Q因子（在谐振系统中通常超过1000）放大输出信号，实现高精度测量。

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图2：228 MHz微加工石英谐振器的实部和虚部阻抗分量，显示Q因子为9000，运动电阻为80Ω。

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! x; y4 S4 N8 P1 o6 \% Q石英晶体谐振器技术
石英晶体谐振器是生物传感应用的基础技术。这类器件采用带有重叠金属电极的压电AT切割石英晶体片。当施加交变电场时，晶体在由其物理特性决定的特定频率下发生谐振。谐振频率会随环境条件变化而改变，使其成为理想的传感平台。
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9 X; [  \& u$ }5 Y图3：详细的实验装置图，显示(A)测量配置和(B)使用酶固定化磁性纳米粒子分析各种分析物浓度的测试流程序列。
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) y* T. w9 c. ?) Y先进生物传感应用
纳米多孔金（np-Au）与石英晶体谐振器技术的结合为生物传感带来了新的发展。纳米多孔金提供了纳米级的三维孔隙和配体网络结构，为生物分子固定和检测提供了理想平台。
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# G( w% [8 V% r9 }+ c- x! o图4：纳米多孔金薄膜的扫描电镜图像，显示通过Au/Ag合金薄膜选择性脱合金形成的约30纳米孔径结构。
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图5：实时频率响应图，展示了平面金电极与纳米多孔金电极配置下DNA杂交过程的比较。
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" [8 C  N' X* o3 g  K0 t; q2 L光学谐振器创新
5 H) F+ }- p, v7 K) k4 ]1 X回音壁模式光学谐振器代表了生物传感技术的另一重要突破。这些基于微球的器件通过锥形光纤耦合光的建设性自干涉实现光学谐振。

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图6：芯片级微球形玻璃壳（MGS）诱导光学谐振的实验装置示意图。
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! [* \, T9 f5 ]7 |; s8 b0 }9 O( {图7：MGS光学谐振器生物传感器的全面视图，包括(a)原理示意图，(b)光学测量装置，(c)校准响应曲线，以及(d)葡萄糖氧化酶催化检测。
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芯片级微球形玻璃壳光学谐振器在生物传感应用中实现了高灵敏度。这些器件保持超过5000万的高Q因子，展现出1.17 GHz/K的温度灵敏度。壳体结构内部的微流体集成实现了高效的分析物处理和增强的光物质相互作用。

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8 Q9 L; x+ J0 @. \( `5 p结论
: l* C% [& E! Z  n! D微加工二氧化硅谐振器在生物传感应用中展现出高灵敏度、高精度和多功能性。从石英晶体谐振器到光学微球，多种技术的融合为新一代生物传感解决方案提供了可靠平台。这些技术进步促进了生物检测和分析能力的提升，将在医疗保健、环境监测和生物研究等领域发挥重要作用。
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) Q( o- ~5 u# L) S7 t4 V+ S不同谐振器技术的结合，配合创新的表面修饰和检测方案，实现了生物传感应用中的高灵敏度和特异性。随着该领域的持续发展，更多技术突破将推动检测极限的提升，并保持在实际应用场景中的实用性。

, L5 u% z& J/ z& e7 z/ }参考文献
2 C3 L6 b# b5 r* J3 _& {- A[1] V. Sumaria, H. Min, S. Farazi, and S. Tadigadapa, "Micromachined silica resonators for biosensing applications," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 48-53.
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