專(zhuān)利名稱(chēng)：納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微加工技術(shù)及微型檢測(cè)器件范圍，特別涉及用于檢測(cè)包括爆炸物氣體在內(nèi)的多種氣體和采用微加工技術(shù)，在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)或者淀積納米材料的一種納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器。
背景技術(shù)：
爆炸物檢測(cè)是現(xiàn)代科技亟需發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)防、反恐領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，尤其是對(duì)爆炸物氣體的檢測(cè)，由于其檢測(cè)十分困難而愈顯重要。目前用于檢測(cè)爆炸物的傳感器如離子遷移率光譜、核子共振等，但采用上述技術(shù)的傳感器存在體積大、造價(jià)昂貴以及不能微型化等一些缺點(diǎn)；對(duì)爆炸物氣體最主要和最有效的檢測(cè)手段仍舊是利用警犬，但組織大量的警犬進(jìn)行檢測(cè)也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳感器成為爆炸物檢測(cè)的一個(gè)很好的選擇。
微機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器具有微型化、成本低、可以批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的用于檢測(cè)爆炸物的微機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器主要采用硅材料制作，其形式主要有微懸臂梁、微橋等。其主要工作機(jī)理是利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)材料的表面對(duì)爆炸物氣體的吸附作用。相比于水蒸氣和一些常見(jiàn)的存在于空氣中的有機(jī)物，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面對(duì)爆炸性氣體(如TNT)的吸附作用強(qiáng)而且不易解吸附。通過(guò)檢測(cè)吸附造成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)固有諧振頻率的變化可以知道吸附的爆炸物氣體的質(zhì)量。在吸附氣體的質(zhì)量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，利用脈沖電壓對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)加熱引爆吸附的爆炸物，并利用光學(xué)方法或壓阻方法檢測(cè)爆炸造成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形變，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物氣體的檢測(cè)。
現(xiàn)有的用于檢測(cè)爆炸物的微機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器的缺點(diǎn)在于用于制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料對(duì)爆炸物氣體的吸附速率很慢，典型的對(duì)TNT的吸附速率在每秒10-12克量級(jí)。因此檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，靈敏度低，準(zhǔn)確性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于檢測(cè)包括爆炸物氣體在內(nèi)的多種氣體的一種納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器。所述微機(jī)械生化傳感器由微機(jī)械結(jié)構(gòu)、納米材料，納米材料加熱裝置以及傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置組成；其特征在于，所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SOI硅片制備，即是在SOI硅片下層硅11上為SOI硅基體10和SOI硅片經(jīng)過(guò)微機(jī)械加工得到的微懸臂梁結(jié)構(gòu)1，在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上覆蓋二氧化硅絕緣層12，其上層為單晶硅制備的加熱電阻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(guò)引線和加熱電阻13連接；所述傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置4包括激光發(fā)生器41和位置敏感探測(cè)器42，固定在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上方。
所述生長(zhǎng)和淀積在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上的納米材料為碳納米管、納米線或納米棒，所述納米多孔硅、碳納米管采用電泳或CVD方法生長(zhǎng)在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上，其固定方向?yàn)榇怪被蛩椒较?；多孔硅采用硅的?yáng)極氧化制作在微機(jī)械結(jié)構(gòu)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(chǎn)生脈沖電壓，通過(guò)電阻對(duì)納米材料加熱；加熱電阻制作在納米材料下面的微機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用SOI結(jié)構(gòu)的上層單晶硅或普通硅片上淀積的多晶硅薄膜制作；所述傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)采用光學(xué)方法檢測(cè)或采用壓阻、電容或者壓電方法檢測(cè)。
本發(fā)明的有益效果是利用具有大表面積的納米材料對(duì)包括爆炸物氣體(如TNT)在內(nèi)的多種氣體具有優(yōu)異的選擇性吸附能力的特點(diǎn)，因此其吸附面積遠(yuǎn)大于微機(jī)械結(jié)構(gòu)材料的吸附面積，且吸附速率遠(yuǎn)大于采用微機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的材料的吸附速率，可以大大提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。


圖1、本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的納米結(jié)構(gòu)微懸臂梁生化傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2、本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微橋結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微膜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于檢測(cè)包括爆炸物氣體在內(nèi)的多種氣體的一種納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器。本發(fā)明的設(shè)計(jì)機(jī)理是生長(zhǎng)在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上的納米材料吸附爆炸物氣體，外加的脈沖電壓通過(guò)加熱電阻對(duì)吸附爆炸物氣體的納米材料進(jìn)行迅速加熱，使溫度超過(guò)爆炸物等分子的燃爆點(diǎn)，引爆爆炸物分子等氣體，爆炸引起微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形變，利用光學(xué)方法、電容、壓電或者壓阻方法檢測(cè)形變獲得傳感器的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物氣體的檢測(cè)。所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)可以采用SOI硅片制備，用于加熱納米材料的電阻和用于檢測(cè)傳感器形變的壓阻都采用SOI結(jié)構(gòu)的上層單晶硅制作；由于SOI結(jié)構(gòu)中二氧化硅層的絕緣絕熱性能好，而且微機(jī)械結(jié)構(gòu)是懸空的，因此加熱能量集中于納米材料，可以迅速達(dá)到超過(guò)爆炸物氣體燃爆點(diǎn)的溫度，提高檢測(cè)速度；單晶硅壓阻系數(shù)大，因此可以增大輸出信號(hào)，提高傳感器的靈敏度。使用普通硅片上淀積絕緣和絕熱的二氧化硅隔離層，同樣可以實(shí)現(xiàn)這種目的。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但并不限于該實(shí)施例。
圖1為本發(fā)明的一個(gè)采用微懸臂梁結(jié)構(gòu)的實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖，包括SOI硅片制備的微懸臂梁結(jié)構(gòu)1，生長(zhǎng)在微懸臂梁結(jié)構(gòu)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(hào)檢測(cè)裝置4；微機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SOI硅片制備，微機(jī)械結(jié)構(gòu)可以是微懸臂梁結(jié)構(gòu)、微橋結(jié)構(gòu)或微膜結(jié)構(gòu)。微機(jī)械結(jié)構(gòu)可以采用兩種微機(jī)械加工方式實(shí)現(xiàn)，一種方式采用SOI硅片制備，即是在SOI硅片下層硅11上為SOI硅基體10和SOI硅片經(jīng)過(guò)微機(jī)械加工得到的微懸臂梁結(jié)構(gòu)1，在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上覆蓋二氧化硅絕緣層12，其上層為單晶硅制備的加熱電阻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(guò)引線和加熱電阻13連接；另一種方式采用普通硅片制備，包括普通硅片基體10，以及普通硅片經(jīng)過(guò)微機(jī)械加工得到的微機(jī)械結(jié)構(gòu)普通硅片襯底11、淀積的二氧化硅12和用淀積的多晶硅薄膜制備的加熱電阻13；所述傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置4包括激光發(fā)生器41和位置敏感探測(cè)器42，固定在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上方。微機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以采用圖2中的微橋結(jié)構(gòu)或圖3中的微膜結(jié)構(gòu)。
生長(zhǎng)在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上的納米材料2可以采用碳納米管、納米棒、納米線等，也可以采用多孔硅；碳納米管可以采用電泳或CVD等方法生長(zhǎng)在微懸臂梁結(jié)構(gòu)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；多孔硅可以采用硅的陽(yáng)極氧化制作在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上；納米材料加熱裝置3產(chǎn)生脈沖電壓，通過(guò)電阻13加熱納米材料2；加熱電阻13制作在納米材料2下面的微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上，采用SOI結(jié)構(gòu)的上層單晶硅制作；傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)可以采用光學(xué)方法檢測(cè)，也可以采用壓阻、壓電和電容等方法檢測(cè)；光學(xué)方法是采用激光照射在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上，用位置敏感探測(cè)器探測(cè)激光反射的位置來(lái)檢測(cè)微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形變和固有諧振頻率的變化；壓阻方法是利用硅的壓阻效應(yīng)，在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上制作壓敏電阻并引出到檢測(cè)電路，通過(guò)檢測(cè)壓敏電阻阻值的變化檢測(cè)到微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形變和固有諧振頻率的變化；壓電檢測(cè)是利用支撐微機(jī)械結(jié)構(gòu)變形，使表面的壓電薄膜層隨之變形，通過(guò)測(cè)量壓電薄膜產(chǎn)生的輸出電壓或電荷進(jìn)行測(cè)量；電容測(cè)量是利用微結(jié)構(gòu)與襯底之間組成電容，微結(jié)構(gòu)變形時(shí)改變了電容的容量，通過(guò)測(cè)量電容變化進(jìn)行測(cè)量。
本實(shí)施例中傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置4采用所述光學(xué)方法檢測(cè)，包括激光發(fā)生器41和位置敏感探測(cè)器42；激光發(fā)生器41產(chǎn)生激光照射在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上，用位置敏感探測(cè)器42探測(cè)激光反射的位置來(lái)檢測(cè)微懸臂梁結(jié)構(gòu)1的形變和固有諧振頻率的變化。
本實(shí)施例的工作方式為利用生長(zhǎng)在微懸臂梁結(jié)構(gòu)1上的納米材料2吸附爆炸物氣體，通過(guò)傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置4檢測(cè)吸附造成的微懸臂梁結(jié)構(gòu)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(zhì)量；在吸附氣體的質(zhì)量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，納米材料加熱裝置3產(chǎn)生脈沖電壓對(duì)納米材料2加熱引燃吸附的爆炸物，并利用傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置4檢測(cè)由于爆炸造成的微懸臂梁結(jié)構(gòu)1的形變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物氣體的檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器，所述微機(jī)械生化傳感器由微機(jī)械結(jié)構(gòu)、納米材料，納米材料加熱裝置以及傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置組成；其特征在于，所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SOI硅片制備，即是在SOI硅片下層硅(11)上為SOI硅基體(10)和SOI硅片經(jīng)過(guò)微機(jī)械加工得到的微懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)，在微懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上覆蓋二氧化硅絕緣層(12)，其上層為單晶硅制備的加熱電阻(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(guò)引線和加熱電阻(13)連接；所述傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置(4)包括激光發(fā)生器(41)和位置敏感探測(cè)器(42)，固定在微懸臂梁結(jié)構(gòu)(1)上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器，其特征在于，所述生長(zhǎng)和淀積在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上的納米材料為碳納米管、納米線或納米棒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器，其特征在于，所述納米多孔硅、碳納米管采用電泳或CVD方法生長(zhǎng)在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上，其固定方向?yàn)榇怪被蛩椒较?；多孔硅采用硅的?yáng)極氧化制作在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器，其特征在于，所述碳納米管為單壁或多壁碳納米管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器，其特征在于，所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)是微懸臂梁結(jié)構(gòu)、微橋結(jié)構(gòu)或微膜結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器，其特征在于，所述納米材料加熱裝置產(chǎn)生脈沖電壓，通過(guò)電阻對(duì)納米材料加熱；加熱電阻制作在納米材料下面的微機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用SOI結(jié)構(gòu)的上層單晶硅或普通硅片上淀積的多晶硅薄膜制作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于微加工技術(shù)及微型檢測(cè)器件范圍的一種納米結(jié)構(gòu)微機(jī)械生化傳感器。該微機(jī)械生化傳感器是在SOI硅片下層硅上的SOI硅基體制作微懸臂梁結(jié)構(gòu)，在微懸臂梁結(jié)構(gòu)上覆蓋二氧化硅絕緣層，其上層為單晶硅制備的加熱電阻，納米材料覆蓋在加熱電阻上，納米材料加熱裝置通過(guò)引線和加熱電阻連接；包括激光發(fā)生器和位置敏感探測(cè)器的傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)裝置固定在微懸臂梁結(jié)構(gòu)上方。本發(fā)明采用微加工制備微機(jī)械結(jié)構(gòu)和檢測(cè)傳感器，絕緣絕熱性能好，制作工藝簡(jiǎn)單，具有較高的檢測(cè)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(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，有助于提高對(duì)爆炸物氣體檢測(cè)的靈敏度、縮短測(cè)量時(shí)間和提高測(cè)量準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01N25/54GK1793916SQ20051013047
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者王喆垚, 周有錚, 莊志偉, 劉理天 申請(qǐng)人:清華大學(xué)