用于粘度和质量检测的小型化集成微机电系统（MEMS）光学传感器阵列
阅读：1023发布：2021-03-04
专利汇可以提供用于粘度和质量检测的小型化集成微机电系统（MEMS）光学传感器阵列专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 一般地涉及化学和 生物 传感器 领域，以及特别涉及用于测量 流体 粘度 和检测流体中的微量化学物和生物制剂的微 机电系统 （MEMS）传感器。本发明的目标是提供将利用远程感测在可置换套筒中工作的传感器，所述远程感测可以测量功能化悬臂在液体环境和气体环境中的动态改变。，下面是用于粘度和质量检测的小型化集成微机电系统（MEMS）光学传感器阵列专利的具体信息内容。
.一种适合于感测质量增长和粘度的设备，包括：
可置换套管，其具有多个流体通道；
至少一个振动机械结构，其被放置在至少一个流体通道中；
至少一个光源，其被耦合到所述至少一个振动机械结构中的每个；
至少一个致动装置
其中所述致动装置在单一致动频率下被激励；其中控制电子器件测量振动机械结构关于激励信号的相位；
至少一个集光器，其被耦合到所述至少一个振动机械结构和所述至少一个光源；
其中所述至少一个集光器被耦合到至少一个光检测器；以及
控制电子器件，其被耦合到至少一个致动装置。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制电子器件可以被可拆卸地耦合所述到至少一个光检测器。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个光源是单个光源，所述单个光源从包括如下各项的组中选择：激光源、VCSEL、LED和它们的组合。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源被耦合到扇出衍射光栅和透镜。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述振动机械结构是悬挂的悬臂。
.根据权利要求5所述的悬臂，其中所述悬臂的尖端包含衍射光栅。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述振动机械结构响应于致动装置而弯曲并且改变反射光的角度。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动装置从包括如下各项的组中选择：电磁力装置、压电力装置、热力装置、静电力装置和它们的组合。
0.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动装置是单个线圈，所述单个线圈对所述至少一个振动机械结构供能。
1.根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少一个加热元件，其与每个振动机械结构相耦合。
2.根据权利要求1所述的设备，其中使用可拆卸耦合的温度控制器来使所述可置换套管温度稳定化。
3.根据权利要求1所述的流体通道，其中所述通道被选择性地涂覆有不同化学物。
4.根据权利要求1所述的流体通道，其中所述通道被连接到套管上的流体端口。
5.根据权利要求14所述的流体通道，其中借助于可拆卸地耦合到套管的泵来致动所述流体。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动装置可以被可拆卸地耦合到所述至少一个振动机械结构。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述集光器单元从如下各项中选择：波导、光导、光纤和它们的组合。
用于粘度和质量检测的小型化集成微机电系统（MEMS）光学传
感器阵列
技术领域
背景技术
[0002] 检测液体中的少量化学物和物质在化学和生物方面具有许多应用。在医药方面，例如，人们可以通过检测化学物（钠、氮化物、钙、钾、心脏标记物等）和它们在体液（诸如血液、尿液、唾液等）中的浓度来诊断许多疾病。在体液中以及在环境中检测病原体（肺结核病毒、肝炎病毒、HIV病毒等）也是活跃的研究和开发领域。
[0003] 类似地，测量流体粘度也在工业应用和医药方面产生很大兴趣。收集关于粘度的数据的能力给予制造商关于如何设计流体系统的重要信息。特别在微流体系统中粘度确定了流体的可泵性和跨越通道的压降。例如，墨水粘度对喷墨打印系统是非常关键的。在汽车工业中，对于润滑剂制造商来说有必要了解他们的被研发用于汽车发动机和液压系统的不同零件的润滑油的粘度。
[0004] 在医药方面，血液粘度和凝固时间测量结果被用于若干疾病（诸如心血管失调、类风湿性关节炎和某些自身免疫疾病）的诊断。使用血液稀释剂（blood thinner）的患者需要连续地监控他们的血液粘度和凝固时间。
[0005] 对于上述感测领域的传感器要求可以通过振动机械结构来解决。特别是微悬臂基于诸如由于小型化引起的较低检测极限、悬臂形状优化的能力、选择性地在这些悬臂（同样可互换地称为“微悬臂”）上放置功能化区域的能力以及在可以与光学器件和电子器件相集成的大型阵列上工作的可能性之类的优点而发现各种应用。
[0006] 当这些悬臂被放置在液体中时，振动的动态特性（相位和幅值）受到液体粘度和悬臂上的质量累积的影响。通过测量振动相位和/或幅值，人们可以检测液体粘度和可能存在于液体中的微量的化学物和物质。此外，悬臂可以被设置成使用反馈电路来振荡。在这种情况下，频率测量结果可以被用来监控悬臂振动的动态改变。
[0007] 为了解决对于粘度和质量的测量需要，已经提出了各种方法。这些当前已知类型的传感器的缺点中的一些是：它们需要电连接（也称为电导体）来把传感器耦合到检测器、受限的光学检测选项、气相检测的限制、使用脆弱的读出部件的传感器（例如多普勒振动计（vibrometry））、由于对偏转的监控而可能被折射率变化所影响的读出结果、对环境噪声没有免疫力的传感器以及在感测期间没有加热悬臂/样本的能力。进一步地，所认为的是，对并行感测的当前替代方式限于仅实验室使用。因此期望具有一种有现场能力的（fieldable）、免标记的示范物，其由于缺乏各种部件而将消失，所述各种部件包括可以在阵列设置中利用的合适的读出机构、将在保存期限期间保护功能化表面的封装（其通常需要处理液体），以及将允许弃置某些部件的集成途径，然而其他部分为下次使用而保留（例如，包含MEMS传感器阵列的可置换套筒）。
[0008] 本发明的一个目标是使MEMS传感器阵列能够具有小型化、高选择性、高灵敏度、并行、免标记和/或便携式的传感器阵列。这样的传感器阵列将提供有价值的工具以用于定点照护（point-of-care）诊断和具有其单分析物或多分析物筛查和数据处理的能力的化学感测。此外这样的传感器可以测量体液的动态属性（诸如液体的粘度、流体阻尼和化学改变）。这些传感器阵列的进一步目标是提高灵敏度和特异性来尽可能地提高早期诊断的可能性以及治疗辅助（诸如剂量建议）的适宜性。所设想的是，这可以导致医患交互和个性化指导的增强的有效性。所认为的是，现今并不存在满足并行、免标记和高选择性感测的要求的这样的系统，这是由于微系统技术和读出方法因为各种原因而不能满足预期，这些原因包括：
与功能表面相关联的鲁棒性问题和缺乏真正集成的、阵列兼容的读出技术。替代地，所认为的是，微阵列技术可以提供并行和选择性检测，但是没有现场能力，因为它们需要专门技术来运行和维护并且由于复杂的标记和感测方法而需要昂贵的基础设施。当许多有现场能力的应用（诸如妊娠试剂盒或葡萄糖传感器）存在时，这些应用受限于一种物种并且缺乏并行检测能力。
与功能表面相关联的鲁棒性问题和缺乏真正集成的、阵列兼容的读出技术。替代地，所认为的是，微阵列技术可以提供并行和选择性检测，但是没有现场能力，因为它们需要专门技术来运行和维护并且由于复杂的标记和感测方法而需要昂贵的基础设施。当许多有现场能力的应用（诸如妊娠试剂盒或葡萄糖传感器）存在时，这些应用受限于一种物种并且缺乏并行检测能力。
[0009] 传感器阵列平台是高度创新和通用的并且受到新颖用途的启发。例如，对于定点照护诊断应用，所设想的是，基于微系统的传感器或并行传感器阵列（2至64通道以及更多）可以用于各种物种，以便将悬臂阵列的共振频率中的偏移作为质量累积的指示进行监控。在这个示例中，将通过新颖的集成光电子芯片来执行频率偏移的检测。目标是具有好于25%的可再现性的在0.1到1000ng/ml范围内的灵敏度。除共振频率之外，人们可以测量驱动信号和微悬臂运动之间的相位差。悬臂可以用各种化学物来功能化并且可以被放置在不同通道中。相同的流体可以被应用到通道，在那里通过监控激励信号和阵列中的悬臂的机械振动波形之间的相位差来测量化学物对流体粘度的影响。使用悬臂可能达到0.001cps的典型灵敏度。
[0010] 此外，本发明可能的用途包括对来自体液（例如血液、血清、尿液或唾液）的疾病的液相检测，和用以检测可能存在于环境水供给中的病原体的检测器。此外，所认为的是，在水性介质中，本发明将在没有对标记的任何需求的情况下允许并行、快速、实时监控大量分析物（例如蛋白质、病原体和DNA链），以及因此对于药物发现过程中的目标物筛选是理想的，或者作为对当前的DNA和蛋白质微阵列芯片的有前途的替代方式。使用这样的免标记设备可以减少准备阶段的数量以及缩短诊断时间。所提出的是，人们可以调查DNA序列，成功的结果将是以并行方式的人类DNA中各种突变（例如，镰状细胞性贫血—地中海贫血）的阳性检测。
[0011] 本发明示范了对悬臂阵列的动态特性中的改变的高度并行的检测。所提出的传感器可以通过使用多学科（包括集成光子学、VLSI和微纳系统）技术来开发具有突破性性能的通用传感器阵列而被用于在鲁棒的、小型化的封装中的（生物/化学）制剂的免标记检测和液体粘度测量。
[0012] 每个传感器典型地位于MEMS传感器阵列上，通过监控振动的机械结构（也称为悬臂或微悬臂）的共振频率、幅值和/或相位来操作该MEMS传感器阵列。传感器的输出是对由于特定接合事件或液体粘度中的改变而在悬臂上累积的质量做出响应的共振频率、幅值和/或相位中的改变。可以通过致动装置（例如电磁力装置、压电力装置、电力装置、静电力装置和它们的组合）来致动悬臂阵列。最优选的致动装置是单个电子线圈，其携带叠加的驱动电流波形。优选地，从机构到与每个传感器耦合的感测灯的光学反馈被用于检测特定接合事件并且还用于共振下的悬臂的闭环控制。更优选地，可以通过允许甚至在液体介质中尖锐的共振峰值（高Q）的闭环控制电子器件来调整阻尼。在优选实施例中，频率分辨率与其他读出技术（诸如压阻方法或电容方法）相比是固有地更高的。
[0013] 优选地，MEMS芯片包含磁结构层（例如镍）上的功能化层。更优选地，功能化层的悬臂上的位置可以被选择为按照添加的单位质量或相位偏移使共振频率偏移最大化。在优选实施例中，悬臂的新颖结构包括以简单的狭缝和/或加热元件的形式的衍射光栅。从衍射光栅反射的光可以由光纤所收集。在另一种布置中，衍射光栅可以被省略以及悬臂的平坦表面可以被用来反射光。在这种情况下，可以仍然使用光纤来收集光，其中悬臂振动确定了耦合到光纤的光量，以及因此光纤所耦合的光检测器输出表示悬臂振动幅值和相位。MEMS传感器阵列（也称为MEMS芯片）优选地被设想为在未来产品中是可置换和可替换的；例如，如将与包含致动装置（有时也称为致动器）的检测器仪器耦合的包含MEMS传感器阵列的可置换套筒那样。这个优选的实施例将留下完整的致动器和电子层以用于重新使用。优选地，MEMS芯片是没有通往检测器仪器的电子链路（也称为电导体）的无源部件。在这个优选实施例中，这将促进流体环境中的工作，因为需要考虑的隔离、耦合和静态阻力问题是较少的。此外，优选实施例包括与无源部件耦合的光学器件和电子器件的集成，以相比于MEMS层与IC检测仪器的直接集成提供了使用的简便和灵活性。最后在优选实施例中，可以通过MEMS芯片上的外部电磁线圈来远程地执行磁致动。所认为的是，在质量测量方面达到的灵敏度水平将直接通过感兴趣分析物的检测灵敏度来反映。此外，在悬臂表面上利用的表面功能化的类型将确定应用领域，例如人类Kappa阿片受体（Human Kappa Opioid，HKOR）被用于检测麻醉剂。在优选实施例中，所认为的是，通过离散光学器件、电子器件和电磁体可以达到
500毫微微克（femtogram）或更少的最小质量检测极限。同样，相同的系统可以达到低达
0.001cps的粘度测量灵敏度。优选地，离散部件的集成和进一步的小型化将实质上改进设备的最小检测极限、灵敏度、并行性和鲁棒性并且将迎接在便携设备中的免标记和并行检测的挑战。
500毫微微克（femtogram）或更少的最小质量检测极限。同样，相同的系统可以达到低达
0.001cps的粘度测量灵敏度。优选地，离散部件的集成和进一步的小型化将实质上改进设备的最小检测极限、灵敏度、并行性和鲁棒性并且将迎接在便携设备中的免标记和并行检测的挑战。
发明内容
[0015] 图1是用于具有光学读出的读取器、套筒和传感器的系统概念的优选实施例的图解视图，其图示了用于液相感测的操作。
[0016] 图2是放置在包括光学集光器、致动装置和控制电子器件的微流体通道的系统中的微悬臂阵列的一个优选实施例的示图。
[0017] 图3是包括可置换套管的本发明的一个优选实施例的图解视图。
[0018] 图4是包括放置在微流体通道中的MEMS传感器的本发明的一个优选实施例的图解顶视图。
[0019] 图5是本发明的一个优选实施例的图解视图，其中MEMS微悬臂在放置在微流体通道中的微悬臂的一端处具有衍射光栅。
[0020] 图6是悬臂的一个优选实施例的图解视图，其中用化学物选择性地功能化该悬臂的尖端。
[0021] 图7是用于光学读出的系统概念的优选实施例的图解视图，该系统概念图解地包括具有光栅的悬臂。
[0022] 图8是使用光学杠杆方法来检测悬臂偏转的概念的优选实施例的图解视图，其中通过光纤来收集反射的光。
[0023] 图9是图示了光学照明方法的概念的优选实施例的图解视图，其中扇出衍射光栅被用于照明微悬臂阵列。
[0024] 图10是示出了用于具有衍射光栅的悬臂的并行光学读出的细节的优选实施例的图解视图。
[0025] 图11是本发明的用于悬臂阵列、感测层和局部微加热器的过程层的优选实施例的图解视图。
具体实施方式
[0026] 在优选实施例中，系统的关键区域可以被列出如下（：1）检测器芯片，其优选地包括基于硅的新颖的集成光电子芯片（其利用了管芯接合的（die-bonded）激光二极管阵列（1D VCSEL阵列））、光检测器13和利用晶片减薄和硅通孔技术的CMOS读出电子器件（；2）具有微纳共振悬臂10的MEMS芯片1（也称为MEMS传感器阵列），该微纳共振悬臂10具有用于可置换芯片的远程电磁致动器、集成光栅24结构和加热元件47；（3）集成光电子芯片和MEMS芯片的利用混合堆叠的3D集成；（4）利用不同的特定识别分子（蛋白质、寡核苷酸、化学组装物）对MEMS悬臂10的功能化，其中聚焦的固定化方法从阵列中寻址仅一个单独的悬臂10；（5）用于对化学物和生物制剂的高选择性和精确识别的并行传感器阵列操作（从2个直到64个并行通道16）的示范。
[0027] 在优选实施例中，涉及具有镍悬臂10的MEMS芯片在SOI晶片上的设计和制造。集成衍射光栅39的理念已经被证明为向具有简单制造和对环境噪声良好免疫的原子力显微镜（AFM）和其他应用提供了极高分辨率的位移检测（具有经证明的亚埃平均检测极限）。在优选实施例中，微悬臂38可以被膜片设备所代替，以及在优选的操作模式中，悬臂10或膜片可以与致动器耦合来调节间隙26以选择性地调整响应度。
[0028] 优选实施例也涉及用以收集光的光纤32。如果悬臂10具有光栅24，那么光纤32将从衍射阶收集光并且将其耦合到光检测器。对于平面悬臂10，光纤32也是检测机构的部分。在这种情况下，悬臂10振动改变光的方向以及因此影响耦合到光纤32的光。
[0029] 优选实施例也涉及检测仪器的设计和制造，该检测仪器包括检测芯片和控制电子器件14，其独立于MEMS层而起作用。优选地，该检测仪器是通用的读出器，其没有通往MEMS芯片的物理连接或电导体以使得不存在用于使电子从检测器芯片或检测器仪器流向MEMS芯片1（反之亦然）的电连接。虽然VCSEL阵列技术是商业可得的，但由于并行传感器阵列中的高包装密度其不能与光检测器13放置在同侧，以及可以用倒装芯片接合来垂直地集成。开发用于3D混合芯片堆叠的硅通孔技术将被用来将 VCSEL或其他激光器27引导16到MEMS芯片上。优选的设想平台是通用的并且可以用于光互连和其他光子学应用。
[0030] 优选地，检测仪器包括控制电子器件14，其涉及使用具有共振下的光学反馈的检测器芯片的 MEMS悬臂10的闭环控制、噪声消除和精确频率测量来检测动态改变。检测仪器优选地被设计为能够处理气相和水相样本。检测芯片（优选地是光电子芯片）和可置换MEMS层优选地以良好精度来对准。优选地，这可以通过在封装2中加工的机械引导件来实现，以及更优选地，有效对准可以用来实现几微米的精度。
[0031] 优选地，控制电子器件14将在单一频率下驱动致动装置以及将测量驱动信号和光检测器13信号之间的相位差。
[0032] 优选地，传感器阵列的各个部件中的每个可以被优化地设计和制造并且各种降噪技术可以被实施来实现接近基本限制的灵敏度。开发使用吸收区域和热绝缘分支的用于生物感测、气体感测、热感测的紧凑的、高功能性、便携的和可置换的传感器以及使用光栅和选择性吸收材料的具有这种传感器阵列技术的光谱学设备。因此，所提出的理念的实现将通过多分析物诊断能力、医患交互中提高的有效性、疾病的早期检测和它们的重现（包括癌症）以及为了安全性而对危险物质的检测而有助于个人健康体系。
[0033] 进一步的示范性实施例被描述如下。
[0034] 图1示出了优选的可置换封装2概念并且图示了可以不存在通往可置换套筒100的电导体（也称为电连接）。同样地，微流体处理可以与可置换封装2相集成（例如可以使用简单的过滤）以从血滴中分离血清以及然后将血清驱使到悬臂10上以用于测量。在图1中示出的优选的读取器4包括检测器仪器和致动装置15（其优选地是用于AC（交流电）致动的电磁体46，以及优选地是用于磁场增强的永磁体）。图1中示出的可置换封装2也优选地包括可置换套筒100，该可置换套筒100包括耦合到流体接触系统（其优选地包括流体腔5（也被称为“反应腔”））的MEMS芯片1、耦合到流体腔5的流体入口6以及同样耦合到流体腔5的流体出口7。在某些情况下，流体入口6和流体出口7可以经由相同空间（其被指定为流体入口/出口8）而存在。优选的可重用读取器4也包括用以感测光的机构，其优选地是用以测量MEMS芯片1的光电子读出器。读取器4也包括耦合到流体端口6、7和/或8的泵。读取器4也包括温度控制器系统来在测试期间将套管保持在期望的温度下。进一步地，图1中的优选的读取器4也优选地包括控制电子器件14和用户接口9。
[0035] 图2示出了光学读出和致动机构的优选实施例的细节，该实施例图解地包括具有悬臂10和流体通道11、集光器12、光检测器13和控制电子器件14的可置换套管。致动装置15（优选地是电磁体46，以及最优选地是如所示出的电线圈）被放置在保持微流体通道22的套管下方。致动器可以使悬臂10在一定频率下振动。同样示出的是优选的激光器27，其耦合到悬臂10并且从悬臂10表面进行反射。反射光可以被耦合到集光器12，该集光器12被耦合到光检测器13以便检测反射光。通过悬臂10振动来调制来自光电二极管33的信号输出。悬臂10表面可以具有光栅24。在这种情况下，光纤32将收集来自光栅24的衍射光。
[0036] 图3示出了可置换套管。如图中所示，该套管可以具有一个或多个通道16。通道16可以具有流体腔5，在那里通道16的宽度和/或高度与通道16的其余部分不同。悬臂10传感器可以被放置在通道16的这个部分中。套管材料可以优选地是塑料、环氧玻璃、树脂玻璃或丙烯酸树脂。通道16可以通过机械地、化学地或经由模塑技术加工可置换套管来制成。封闭的通道16可以通过在保持通道16的基板25上粘合盖板17来获得。套管可以具有耦合到通道16的入口18和出口19。流体可以通过这些开口来施加以及可以通过将泵耦合到入口18或出口19来实现流体运动。入口18和出口19也可以被放置在盖上。套管可以具有对准切出物（cutout）或引导切出物20以便容易地将套管放置到读取器4中。该盖可以具有对应的切出物21。
[0037] 图4示出了具有MEMS芯片1的微流体通道22的顶视图。在优选实施例中，至少一个MEMS芯片可以被放置在每个通道16中。MEMS芯片由基底23（优选地是硅）和悬臂10（优选地是磁性材料）组成。
[0038] 图5示出了在悬臂10的末端处具有光栅24的MEMS芯片1的顶视图。横截面图像示出了悬臂10下面的基板25。这个部分被用于干涉。
[0039] 图6示出了功能化的悬臂10。单独的悬臂10的感测表面可以被适当地活化（自组装单层膜、亲水聚合物涂层）以便识别分子的共价固定。在一个实施例中，可以使用喷墨沉积系统、浸渍涂覆、微点融（microspotting）或使用针对每种分析物的微流体通道22来实现对试剂溶液的精确寻址；替代地，假如反应基团仅处于光活化表面区域，将采用基于光活化的化学反应。所设想的是，用于共价固定的模型（生物）配位体可以包括抗体（免疫传感）、寡核苷酸探测器（杂交化验（hybridization assays））和化学组装物（纳米管、纳米粒子、超分子复合物、脂质二重层）。所认为的是，将使用酶标记、荧光显微成像和/或原子力显微术来确定接合部位的表面密度。
[0040] 图7示出了光学读出的优选实施例的细节，该实施例图解地包括悬臂10，该悬臂10具有耦合到基板25来形成间隙26的光栅24。致动装置15（优选地是电磁体46以及最优选地是如所示出的电线圈）被放置在基板25下方，该致动装置15可以使悬臂10在一定频率下振动。同样示出的是优选的激光器27，其耦合到光栅24并且形成折射阶28：零阶折射29、一阶折射30和三阶折射31，如优选地示出的。折射阶28被光纤线缆32和光检测器13的组合所收集。来自光电二极管33的信号输出是由针对零阶折射和1阶折射的衍射阶强度来表示的。
[0041] 图8示出了光学杠杆读出的优选实施例的细节，该实施例图解地包括具有平坦表面的悬臂10。致动装置15（优选地是电磁体46以及最优选地是如所示出的电线圈）被放置在可置换套管118下方，该致动装置15可以使悬臂10在一定频率下振动。同样示出的是优选的激光器27，其从悬臂10的平坦表面往回反射。反射射束被光纤32收集。悬臂10的振动改变反射光的方向并且因此改变了耦合到光纤线缆32的光的量。光纤线缆32被耦合到光电二极管33以用于检测。然后通过悬臂10振动来调制来自光电二极管33的信号输出。
[0042] 图9示出了光学杠杆读出的优选实施例的细节，该实施例被实施用于检测悬臂10的阵列的振动，其中悬臂10被放置在流体通道11的系统中。扇出衍射光栅34可以被用来从单个光源35（优选地是激光器27）生成多个射束。聚焦光学器件36将生成的射束引导到悬臂10上。反射光被光纤32收集，该光纤32被耦合到光电二极管33的阵列。
[0043] 图10图示了电子系统37（可以是在图1中示出的用户接口9和控制电子器件14的部分）和光学读出系统（也可以被称为光电子读出器；例如如图1中所示的）的另一个优选实施例的细节，其中微悬臂38的微悬臂38振动的幅值或相位是期望的传感器输出。在这个优选实施例中，光学读出系统包括激光器27（优选地是红色激光二极管）、衍射光栅39、第一透镜40、分束器41、第二透镜42以及光检测器13（其可以被耦合到光纤32），其中分束器41可以与单独的光栅24或悬臂10的平坦表面相互作用。在这个优选实施例中，微悬臂38可以在它们的共振态附近的特定频率下振动。电子系统37包括耦合到光检测器13输出的前置放大器
48、耦合到驱动放大器44并且也耦合到相位和幅值检测电子器件45的信号生成器43、耦合到MEMS芯片1的电磁体46。在优选实施例中，可以利用通过使用扇出衍射光栅34从激光器27生成的激光射束来照射MEMS悬臂10。在具有光栅24的悬臂10的情况下，来自基板25和传感器表面的反射光发生干涉并且创建衍射阶。监控第一衍射阶来避免零阶直接反射射束中的较大偏置。第一衍射阶被光纤线缆32和光电二极管33的系统所收集。光电二极管信号连同信号生成器43的参考驱动输出一起被馈送到检测电路中。相位和幅值检测电子器件45然后输出驱动信号和光检测器13输出之间的相位差以及光检测器13信号的幅值。在平坦悬臂10的情况下，光学器件310、320、110被对准以使得光纤32收集来自悬臂10表面的反射光。通过悬臂10振动来确定反射光的方向，因此确定耦合到光纤32的量。
48、耦合到驱动放大器44并且也耦合到相位和幅值检测电子器件45的信号生成器43、耦合到MEMS芯片1的电磁体46。在优选实施例中，可以利用通过使用扇出衍射光栅34从激光器27生成的激光射束来照射MEMS悬臂10。在具有光栅24的悬臂10的情况下，来自基板25和传感器表面的反射光发生干涉并且创建衍射阶。监控第一衍射阶来避免零阶直接反射射束中的较大偏置。第一衍射阶被光纤线缆32和光电二极管33的系统所收集。光电二极管信号连同信号生成器43的参考驱动输出一起被馈送到检测电路中。相位和幅值检测电子器件45然后输出驱动信号和光检测器13输出之间的相位差以及光检测器13信号的幅值。在平坦悬臂10的情况下，光学器件310、320、110被对准以使得光纤32收集来自悬臂10表面的反射光。通过悬臂10振动来确定反射光的方向，因此确定耦合到光纤32的量。
[0044] 图11中示出的优选实施例包括在悬臂10结构中的嵌入加热元件47，其允许在悬臂10上进行局部加热。这对分析化学物和生物样本可以是尤其重要的，因为每种试剂在不同温度下可以具有不同吸附率和脱附率。这可以用来针对不同化学物和生物接合事件提高检测的特异性（或选择性）。局部化的加热可以创建依赖温度的光谱、DNA解链曲线以及通过引入多模检测能力来提高特异性。
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