С использованием современных микросистемных технологий механические колебательные системы удается теперь выполнять в удивительно малых размерах. Особенно популярными в этой области стали так называемые кантилеверы (сantilever) – закрепленные на одном конце упругие длинные балки. В качестве примера на рис. 4.7 показаны три кантилевера 1, сформированные методами МСТ в кристалле кремния 2.
.files/image696.gif)
Рис. 4.7. Пример конструкции кремниевых кантилеверов: 1 - кантилеверы; 2 - основной объем кремния; справа – увеличенное изображение кантилевера; 3 - чувствительная зона; 4 - пьезорезистор; 5 и 6 - электроды для возбуждения и поддержания механических колебаний
Справа один из кантилеверов показан в увеличенном виде. На его верхней поверхности формируют чувствительную зону 3 и пьезорезистор 4, а снизу – электрод 5. Для возбуждения и поддержания незатухающих механических колебаний кантилеверов 1 используют обычно электростатические силы, создаваемые подачей переменного напряжения между кантилевером и электродом возбуждения 6, сформированным на подложке из кремния. Необходимую положительную обратную связь обеспечивают пьезорезисторы 4, формируемые вблизи закрепленного конца кантилевера, где сосредоточены наибольшие деформации. Механические колебания автоматически поддерживаются на резонансной частоте свободных колебаний кантилевера. Обычно эта частота составляет несколько мегагерц. Возбуждение и поддержание незатухающих механических колебаний кантилеверов можно осуществлять также другими способами: магнитным, электромагнитным и т.д.
На чувствительную зону 3 наносят "рецепторный слой" – покрытие, избирательно чувствительное к контролируемому химическому веществу или к определенному белку, вирусу либо к другому аналиту. Если этот аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер (газ, жидкость), то некоторые его атомы (молекулы, частицы) химически связываются с чувствительным покрытием 3. Из-за вызываемого этим незначительного изменения массы частота механических колебаний кантилевера изменяется. Соответственно изменяется и частота сигналов от пьезорезистора 4. Эти сигналы воспринимаются и обрабатываются электронными схемами, которые сформированы в том же кристалле кремния. Поскольку собственная масса кантилевера очень мала и фиксируются даже очень незначительные изменения частоты, то чувствительность таких вибрационных сенсоров оказывается достаточно высокой. Oak Ridge National Laboratory сообщила, например, о регистрации с помощью сенсора на кантилеверах рекордно малого количества аналита – 5,5 фемтограмма (10–15 г). Ведутся работы по созданию в одной кремниевой микросхеме целого набора сенсоров на кантилеверах, каждый из которых настроен на свой аналит. Это будет настоящая химическая или биохимическая лаборатория на чипе, – ведь в одном кристалле можно поместить сотни таких сенсоров. Однако разработка технологии покрытия каждого из сотен кантилеверов своим специфическим, чувствительным к своему аналиту слоем, – это очень не простая задача.
Ученые из университета Пердью (США) исследовали поведение "нанокантилеверов" – кантилеверов толщиной порядка 20 нм и длиной порядка 1 мкм. Оказалось, что в отличие от кантилеверов толщиной в несколько мкм и длиной в десятки микрометров, в которых увеличение массы чувствительного слоя приводит к уменьшению резонансной частоты колебаний, в нанокантилеверах резонансная частота при абсорбции аналита возрастает. Это объясняется тем, что слой чувствительного вещества и присоединяющиеся к нему частицы аналита имеют здесь приблизительно такую же толщину, как и сам кантилевер, и сравнимые с ним размеры. Поэтому в данном случае не только прибавляется масса, но и возрастает коэффициент жесткости кантилевера. Исследователи также неожиданно для себя обнаружили, что более длинные кантилеверы захватывают из окружающей среды намного большее количество аналита, и что плотность захваченных частиц аналита возрастает вблизи свободного конца кантилевера. Сейчас ученые разрабатывают математическую модель чувствительности нанокантилеверов с целью доведения ее до уровня, когда станет возможным обнаруживать присутствие в среде даже единичных частиц аналита (патогенов, антител, молекул ядовитых веществ и т.п.).
