納米結構微機械生化傳感器的製作方法
2023-09-10 01:27:40
專利名稱：納米結構微機械生化傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微加工技術及微型檢測器件範圍，特別涉及用於檢測包括爆炸物氣體在內的多種氣體和採用微加工技術，在微機械結構上生長或者澱積納米材料的一種納米結構微機械生化傳感器。
背景技術：
爆炸物檢測是現代科技亟需發展的一個領域，在國防、反恐領域發揮著重要的作用，尤其是對爆炸物氣體的檢測，由於其檢測十分困難而愈顯重要。目前用於檢測爆炸物的傳感器如離子遷移率光譜、核子共振等，但採用上述技術的傳感器存在體積大、造價昂貴以及不能微型化等一些缺點；對爆炸物氣體最主要和最有效的檢測手段仍舊是利用警犬，但組織大量的警犬進行檢測也是不現實的。因此，採用微機械結構的傳感器成為爆炸物檢測的一個很好的選擇。
微機械結構傳感器具有微型化、成本低、可以批量生產等優點。現有的用於檢測爆炸物的微機械結構傳感器主要採用矽材料製作，其形式主要有微懸臂梁、微橋等。其主要工作機理是利用微機械結構材料的表面對爆炸物氣體的吸附作用。相比於水蒸氣和一些常見的存在於空氣中的有機物，微機械結構的表面對爆炸性氣體(如TNT)的吸附作用強而且不易解吸附。通過檢測吸附造成的微機械結構固有諧振頻率的變化可以知道吸附的爆炸物氣體的質量。在吸附氣體的質量達到一定數值時，利用脈衝電壓對微機械結構加熱引爆吸附的爆炸物，並利用光學方法或壓阻方法檢測爆炸造成的微機械結構的形變，實現對爆炸物氣體的檢測。
現有的用於檢測爆炸物的微機械結構傳感器的缺點在於用於製作微機械結構的材料對爆炸物氣體的吸附速率很慢，典型的對TNT的吸附速率在每秒10-12克量級。因此檢測時間長，靈敏度低，準確性差。
發明內容
本發明的目的是提供一種靈敏度高，結構簡單的用於檢測包括爆炸物氣體在內的多種氣體的一種納米結構微機械生化傳感器。所述微機械生化傳感器由微機械結構、納米材料，納米材料加熱裝置以及傳感器輸出信號檢測裝置組成；其特徵在於，所述微機械結構採用SOI矽片製備，即是在SOI矽片下層矽11上為SOI矽基體10和SOI矽片經過微機械加工得到的微懸臂梁結構1，在微懸臂梁結構1上覆蓋二氧化矽絕緣層12，其上層為單晶矽製備的加熱電阻13；納米材料2覆蓋在加熱電阻13上，納米材料加熱裝置3通過引線和加熱電阻13連接；所述傳感器輸出信號檢測裝置4包括雷射發生器41和位置敏感探測器42，固定在微懸臂梁結構1上方。
所述生長和澱積在微機械結構上的納米材料為碳納米管、納米線或納米棒，所述納米多孔矽、碳納米管採用電泳或CVD方法生長在微機械結構上，其固定方向為垂直或水平方向；多孔矽採用矽的陽極氧化製作在微機械結構上。
所述碳納米管為單壁或多壁碳納米管。
所述納米材料加熱裝置產生脈衝電壓，通過電阻對納米材料加熱；加熱電阻製作在納米材料下面的微機械結構上，採用SOI結構的上層單晶矽或普通矽片上澱積的多晶矽薄膜製作；所述傳感器輸出信號的檢測採用光學方法檢測或採用壓阻、電容或者壓電方法檢測。
本發明的有益效果是利用具有大表面積的納米材料對包括爆炸物氣體(如TNT)在內的多種氣體具有優異的選擇性吸附能力的特點，因此其吸附面積遠大於微機械結構材料的吸附面積，且吸附速率遠大於採用微機械結構本身的材料的吸附速率，可以大大提高檢測的靈敏度和準確性。
圖1、本發明一個實施例的納米結構微懸臂梁生化傳感器整體結構示意圖。
圖2、本發明一個實施例的微橋結構示意圖。
圖3、本發明一個實施例的微膜結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供一種靈敏度高，結構簡單的用於檢測包括爆炸物氣體在內的多種氣體的一種納米結構微機械生化傳感器。本發明的設計機理是生長在微機械結構上的納米材料吸附爆炸物氣體，外加的脈衝電壓通過加熱電阻對吸附爆炸物氣體的納米材料進行迅速加熱，使溫度超過爆炸物等分子的燃爆點，引爆爆炸物分子等氣體，爆炸引起微機械結構的形變，利用光學方法、電容、壓電或者壓阻方法檢測形變獲得傳感器的輸出信號，實現對爆炸物氣體的檢測。所述微機械結構可以採用SOI矽片製備，用於加熱納米材料的電阻和用於檢測傳感器形變的壓阻都採用SOI結構的上層單晶矽製作；由於SOI結構中二氧化矽層的絕緣絕熱性能好，而且微機械結構是懸空的，因此加熱能量集中於納米材料，可以迅速達到超過爆炸物氣體燃爆點的溫度，提高檢測速度；單晶矽壓阻係數大，因此可以增大輸出信號，提高傳感器的靈敏度。使用普通矽片上澱積絕緣和絕熱的二氧化矽隔離層，同樣可以實現這種目的。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明，但並不限於該實施例。
圖1為本發明的一個採用微懸臂梁結構的實施例整體結構示意圖，包括SOI矽片製備的微懸臂梁結構1，生長在微懸臂梁結構上的納米材料2，納米材料加熱裝置3，以及傳感器輸出信號檢測裝置4；微機械結構採用SOI矽片製備，微機械結構可以是微懸臂梁結構、微橋結構或微膜結構。微機械結構可以採用兩種微機械加工方式實現，一種方式採用SOI矽片製備，即是在SOI矽片下層矽11上為SOI矽基體10和SOI矽片經過微機械加工得到的微懸臂梁結構1，在微懸臂梁結構1上覆蓋二氧化矽絕緣層12，其上層為單晶矽製備的加熱電阻13；納米材料2覆蓋在加熱電阻13上，納米材料加熱裝置3通過引線和加熱電阻13連接；另一種方式採用普通矽片製備，包括普通矽片基體10，以及普通矽片經過微機械加工得到的微機械結構普通矽片襯底11、澱積的二氧化矽12和用澱積的多晶矽薄膜製備的加熱電阻13；所述傳感器輸出信號檢測裝置4包括雷射發生器41和位置敏感探測器42，固定在微懸臂梁結構1上方。微機械結構也可以採用圖2中的微橋結構或圖3中的微膜結構。
生長在微懸臂梁結構1上的納米材料2可以採用碳納米管、納米棒、納米線等，也可以採用多孔矽；碳納米管可以採用電泳或CVD等方法生長在微懸臂梁結構1上，其固定方式可以是垂直的，也可以是水平的；碳納米管可以是單壁的，也可以是多壁的；多孔矽可以採用矽的陽極氧化製作在微懸臂梁結構1上；納米材料加熱裝置3產生脈衝電壓，通過電阻13加熱納米材料2；加熱電阻13製作在納米材料2下面的微懸臂梁結構1上，採用SOI結構的上層單晶矽製作；傳感器輸出信號的檢測可以採用光學方法檢測，也可以採用壓阻、壓電和電容等方法檢測；光學方法是採用雷射照射在微機械結構上，用位置敏感探測器探測雷射反射的位置來檢測微機械結構的形變和固有諧振頻率的變化；壓阻方法是利用矽的壓阻效應，在微機械結構上製作壓敏電阻並引出到檢測電路，通過檢測壓敏電阻阻值的變化檢測到微機械結構的形變和固有諧振頻率的變化；壓電檢測是利用支撐微機械結構變形，使表面的壓電薄膜層隨之變形，通過測量壓電薄膜產生的輸出電壓或電荷進行測量；電容測量是利用微結構與襯底之間組成電容，微結構變形時改變了電容的容量，通過測量電容變化進行測量。
本實施例中傳感器輸出信號檢測裝置4採用所述光學方法檢測，包括雷射發生器41和位置敏感探測器42；雷射發生器41產生雷射照射在微懸臂梁結構1上，用位置敏感探測器42探測雷射反射的位置來檢測微懸臂梁結構1的形變和固有諧振頻率的變化。
本實施例的工作方式為利用生長在微懸臂梁結構1上的納米材料2吸附爆炸物氣體，通過傳感器輸出信號檢測裝置4檢測吸附造成的微懸臂梁結構1固有諧振頻率的變化可以知道納米材料2吸附的爆炸物氣體的質量；在吸附氣體的質量達到一定數值時，納米材料加熱裝置3產生脈衝電壓對納米材料2加熱引燃吸附的爆炸物，並利用傳感器輸出信號檢測裝置4檢測由於爆炸造成的微懸臂梁結構1的形變，從而實現對爆炸物氣體的檢測。
權利要求
1.一種納米結構微機械生化傳感器，所述微機械生化傳感器由微機械結構、納米材料，納米材料加熱裝置以及傳感器輸出信號檢測裝置組成；其特徵在於，所述微機械結構採用SOI矽片製備，即是在SOI矽片下層矽(11)上為SOI矽基體(10)和SOI矽片經過微機械加工得到的微懸臂梁結構(1)，在微懸臂梁結構(1)上覆蓋二氧化矽絕緣層(12)，其上層為單晶矽製備的加熱電阻(13)；納米材料(2)覆蓋在加熱電阻(13)上，納米材料加熱裝置(3)通過引線和加熱電阻(13)連接；所述傳感器輸出信號檢測裝置(4)包括雷射發生器(41)和位置敏感探測器(42)，固定在微懸臂梁結構(1)上方。
2.根據權利要求1所述納米結構微機械生化傳感器，其特徵在於，所述生長和澱積在微機械結構上的納米材料為碳納米管、納米線或納米棒。
3.根據權利要求2所述納米結構微機械生化傳感器，其特徵在於，所述納米多孔矽、碳納米管採用電泳或CVD方法生長在微機械結構上，其固定方向為垂直或水平方向；多孔矽採用矽的陽極氧化製作在微機械結構上。
4.根據權利要求2所述納米結構微機械生化傳感器，其特徵在於，所述碳納米管為單壁或多壁碳納米管。
5.根據權利要求1所述納米結構微機械生化傳感器，其特徵在於，所述微機械結構是微懸臂梁結構、微橋結構或微膜結構。
6.根據權利要求1所述納米結構微機械生化傳感器，其特徵在於，所述納米材料加熱裝置產生脈衝電壓，通過電阻對納米材料加熱；加熱電阻製作在納米材料下面的微機械結構上，採用SOI結構的上層單晶矽或普通矽片上澱積的多晶矽薄膜製作。
全文摘要
本發明公開了屬於微加工技術及微型檢測器件範圍的一種納米結構微機械生化傳感器。該微機械生化傳感器是在SOI矽片下層矽上的SOI矽基體製作微懸臂梁結構，在微懸臂梁結構上覆蓋二氧化矽絕緣層，其上層為單晶矽製備的加熱電阻，納米材料覆蓋在加熱電阻上，納米材料加熱裝置通過引線和加熱電阻連接；包括雷射發生器和位置敏感探測器的傳感器輸出信號檢測裝置固定在微懸臂梁結構上方。本發明採用微加工製備微機械結構和檢測傳感器，絕緣絕熱性能好，製作工藝簡單，具有較高的檢測靈敏度；納米材料作為吸附爆炸物氣體的材料，具有吸附性能好、選擇性強的突出優點，有助於提高對爆炸物氣體檢測的靈敏度、縮短測量時間和提高測量準確性。
文檔編號G01N25/54GK1793916SQ20051013047
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月13日 優先權日2005年12月13日
發明者王喆垚, 周有錚, 莊志偉, 劉理天 申請人:清華大學