專利名稱：一種納米傳感器的原位測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于納米尺度的生物和化學(xué)傳感器的測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種納米傳感器的 原位測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)納米尺度的生物和化學(xué)傳感器研究發(fā)展很快。這些納米傳感器的原理是，利用 納米尺度的生物和化學(xué)材料或納米器件與特定的氣體或液體溶質(zhì)接觸，利用電學(xué)性能會(huì)顯 著改變的特點(diǎn)，來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體或液體溶質(zhì)的存在。為深入理解各類傳感器在不同吸附條 件下的傳感性能，需要在一個(gè)很大的氣壓變化范圍內(nèi)對(duì)納米傳感器進(jìn)行原位測(cè)量，且在原 位電學(xué)測(cè)量時(shí)改變傳感核心區(qū)域的液態(tài)環(huán)境。環(huán)境掃描電子顯微鏡是一種可以提供納米結(jié) 構(gòu)表面觀察，成分分析，在10—6-100 torr范圍內(nèi)改變樣品表面氣氛，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)電學(xué)和光 學(xué)性質(zhì)測(cè)量的精密設(shè)備(Dantilatos, 1986, US Patent No. 4596928; Dantilatos, 2004, US Patent No. 6809322; Donald, 2003, Nature Materials, vol. 2, pp.511-516)。但環(huán)境掃描電子顯微鏡用于生物和化學(xué)傳感器研究有如下幾項(xiàng)難以克服的弱點(diǎn)(1)其工作氣壓只能從高真空連續(xù) 變化到0.1個(gè)大氣壓左右；(2)其真空腔的體積很大， 一般為幾十立方分米，難以確保微量氣體正好通到樣品表面；(3) —般液體，如水，常溫下的飽和蒸汽壓較高，液體被注入較大的真空腔后會(huì)迅速蒸發(fā)，殘留液體也可能因蒸發(fā)吸熱而迅速凝結(jié)，無(wú)法對(duì)微量的液體進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的傳感性能測(cè)量；(4)價(jià)格非常昂貴。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種納米傳感器的原位測(cè)量裝置，利用該設(shè) 備，可實(shí)現(xiàn)在不同的氣體、液體環(huán)境下，對(duì)納米傳感器準(zhǔn)確地進(jìn)行原位測(cè)量。 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，包括一盛裝納米傳感器的盒子，該盒 子由一盒底和一透明材料的盒蓋組成，納米傳感器固定在電學(xué)測(cè)量基片上，所述電學(xué)測(cè)量 基片放置在盒底內(nèi)，用盒蓋密封住盒底，在所述盒蓋或盒底上設(shè)有兩個(gè)微孔， 一個(gè)微孔與 真空抽吸針閥的傳導(dǎo)管密封連接，另一個(gè)微孔與氣/液源的注入閥門的傳導(dǎo)管密封連接。所述電學(xué)測(cè)量基片包括一電極板，電極板的表面用于承載納米傳感器樣品，納米傳感3納米傳感器樣品區(qū)域的環(huán)境溫度。所述電極板連接一電控加熱器，用于加熱納米傳感器樣品區(qū)域的環(huán)境溫度。所述盒子的內(nèi)部空間體積的范圍為5-10ml。所述微孔的直徑不大于0.5mm。還包括一套夾具，用于將盒蓋和盒底上下固定。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是一種低成本，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米傳感器在不同的氣體、液體環(huán)境下進(jìn)行原 位測(cè)量的裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精確地向納米傳感器表面注射微量氣體或液體，在進(jìn)行原 位測(cè)量時(shí)，還可以為納米傳感器提供從大氣到高真空的氣氛環(huán)境。該裝置具備的具體功能包括(1)能夠?yàn)榧{米傳感器提供從大氣壓到高真空的氣氛環(huán) 境；(2)允許逐漸替換樣品附近的氣體成分；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)精確地向納米傳感器表面注射微 量氣體或液體，并在光學(xué)顯微鏡的輔助下進(jìn)行觀察；(4)由內(nèi)置的電路與外部電路的真空 連接而實(shí)現(xiàn)納米器件電學(xué)性能的原位測(cè)量；(5)能對(duì)樣品進(jìn)行加溫并同時(shí)測(cè)量樣品附近的 溫度；(6)能實(shí)現(xiàn)快速更換樣品。在原位測(cè)量方面，本發(fā)明相對(duì)于環(huán)境掃描顯微鏡成本更為低廉，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。在液態(tài)環(huán)境測(cè)量方面，由于本發(fā)明的裝置其內(nèi)部體積只有幾個(gè)立方厘米，可以很容易 地調(diào)節(jié)氣壓使裝置內(nèi)液體蒸汽壓接近飽和，因此避免了液體的迅速蒸發(fā)，也不容易出現(xiàn)液 體快速蒸發(fā)致冷產(chǎn)生的凍結(jié)現(xiàn)象，這就確保了待測(cè)液體可以在器件表面穩(wěn)定地存在一長(zhǎng)段 時(shí)間。


圖1是本發(fā)明納米傳感器的原位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明納米傳感器的原位測(cè)量裝置的應(yīng)用框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述參考圖l,本發(fā)明包括一盛裝納米傳感器的盒子和與盒子匹配的夾具，盒子由盒底io 和盒蓋5組成，盒底10和盒蓋5可以由透光而在真空中出氣少的材質(zhì)制成，例如但不僅限于石英玻璃。其中盒蓋5作為觀察使用，上方可架設(shè)顯微鏡，也可供實(shí)驗(yàn)者直接肉眼觀 察。盒蓋5的形狀包括但不僅限于圓形。圓形盒蓋5的優(yōu)點(diǎn)是，在固定夾具之前通過(guò)旋轉(zhuǎn) 盒蓋調(diào)節(jié)待測(cè)量樣品的位置。盒蓋5和盒底10之間用O型密封圈6密封。夾具1和夾具12起固定、封閉盒子的作 用，在傳感器樣品固定于盒底內(nèi)嵌的電學(xué)測(cè)量基片7后，將盒蓋5和盒底10密封，再通 過(guò)螺絲將盒子外的夾具夾緊，以利于真空設(shè)備對(duì)裝置抽真空。通常納米傳感器樣品固定于硅基片上，電學(xué)測(cè)量基片7為一電極板，電極板中間設(shè)置 導(dǎo)電柵極，可以但不僅限于利用銀膠等導(dǎo)電介質(zhì)使柵極與硅基片導(dǎo)通。電極板上預(yù)留的 電極可以通過(guò)點(diǎn)焊技術(shù)與硅基片上納米傳感器相連，也可以連接包括而不僅限于熱電耦在 內(nèi)的各種傳感元件甚至電熱元件。電極板上的電極通過(guò)電引線11與測(cè)量?jī)x器連接，電引 線11穿過(guò)盒子盒底10的接口處密封。電極板上附有用于測(cè)量樣品區(qū)的溫度的溫度傳感器8,例如但并不限于PtlOO溫度傳 感器。通過(guò)電引線與外部的測(cè)溫電路及儀器相連接，可以從外部?jī)x器直接得到樣品區(qū)域具 體的溫度值。電極板下面是用于對(duì)樣品區(qū)域進(jìn)行加熱的電控加熱器9，例如但并不限于加熱電阻。 通過(guò)電引線與外部的加熱控制電路相連接，加熱控制電路利用溫度傳感器的數(shù)據(jù)作為反 饋，從外部對(duì)加熱器輸出功率進(jìn)行控制以達(dá)到要求的溫度。在盒蓋5上設(shè)有兩個(gè)微孔，微孔上分別固定一氣/液傳導(dǎo)管2，與傳導(dǎo)管匹配分別為可 外接真空抽吸裝置的針閥3和連接氣/液源的注入閥門4。 氣/液源的注入閥門4可以但 不僅限于使用Kleindiek Nanotechnik GmbH公司生產(chǎn)的電磁微閥(該閥允許控制閥門以毫 秒為時(shí)間單位打開(kāi)，平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài))或真空針閥。真空針閥或其他真空閥門連接真空 泵或其他真空抽吸裝置。當(dāng)關(guān)閉氣/液源的注入閥門4時(shí)，打開(kāi)真空抽吸裝置的針閥3，可 以使裝置內(nèi)真空度逐漸上升至較高真空，這對(duì)于納米器件測(cè)量的意義在于可以使器件表面 解吸附。在盒子內(nèi)為真空狀態(tài)時(shí)，如果關(guān)閉真空抽吸裝置的針閥3，而通過(guò)微電磁閥短暫 打開(kāi)氣/液源的注入閥門4，由于內(nèi)外氣壓差的影響，可以迅速向裝置內(nèi)噴入實(shí)驗(yàn)氣體或液 體，對(duì)于水溶液試劑等多種實(shí)驗(yàn)液體，由于部分水的迅速蒸發(fā)可以很快使裝置內(nèi)氣壓上升 而使得液體流入量自動(dòng)得到控制，不至于出現(xiàn)大量液體涌入裝置難以控制的情況。與此同 時(shí)裝置內(nèi)液體蒸汽壓接近飽和，也消除了在通常的大真空腔中難以避免的液體迅速蒸發(fā)完 畢，甚至因蒸發(fā)大量吸熱而出現(xiàn)凍結(jié)的現(xiàn)象，使得待測(cè)液體可以在器件表面相對(duì)穩(wěn)定地存 在較長(zhǎng)時(shí)間，非常有利于測(cè)量。待測(cè)量結(jié)束，確保關(guān)閉氣/液源的注入閥門4，打開(kāi)真空抽吸裝置的針閥3,又可以逐漸排出裝置內(nèi)氣體，液體也會(huì)由于蒸發(fā)而較快散發(fā)?？刂瞥闅?的時(shí)間可以調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的真空度，從而該裝置對(duì)于氣體傳感器還可以測(cè)量在特定氣體環(huán)境 不同氣壓下樣品的傳感器性能以及各種電學(xué)性能。
其原理圖如圖2所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精確地向納米器件表面注射微量氣體或液體， 該操作可以但不限于在光學(xué)顯微鏡的輔助下進(jìn)行觀察，并能與此同時(shí)測(cè)量納米器件電學(xué)性 能的變化。可以但不僅限于同時(shí)測(cè)量樣品附近的溫度等環(huán)境參數(shù)。在進(jìn)行上述測(cè)量的同時(shí) 能夠?yàn)榧{米器件提供從大氣到高真空的氣氛環(huán)境，并允許逐漸替換樣品附近的氣體成分。 該裝置允許更換樣品實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量。
以上通過(guò)詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，本領(lǐng)域的技
術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改；其 制備方法也不限于實(shí)施例中所公開(kāi)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，包括一盛裝納米傳感器的盒子，該盒子由一盒底和一透明材料的盒蓋組成，納米傳感器固定在電學(xué)測(cè)量基片上，所述電學(xué)測(cè)量基片放置在盒底內(nèi)，用盒蓋密封住盒底，在所述盒蓋或盒底上設(shè)有兩個(gè)微孔，一個(gè)微孔與真空抽吸針閥的傳導(dǎo)管密封連接，另一個(gè)微孔與氣/液源的注入閥門的傳導(dǎo)管密封連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述電學(xué)測(cè)量基片包括一電極板，電極板的表面用于承載納米傳感器樣品，納米傳感器樣品與電極板的預(yù)留電極連接，電極板的電極通過(guò)穿過(guò)盒蓋或盒底的電引線與測(cè)量?jī)x器連接，電引線穿過(guò)盒子盒底的接口處密封。
3、 如權(quán)利要求2所述的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述電極板連接一溫度傳感器，用于測(cè)量納米傳感器樣品區(qū)域的環(huán)境溫度。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述電極板連接一電控加熱器，用于加熱納米傳感器樣品區(qū)域的環(huán)境溫度。
5、 如權(quán)利要求1所述的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述盒子的內(nèi)部空間體積的范圍為5-10 ml。
6、 如權(quán)利要求1或5所述的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，所述微孔的直徑不大于0. 5mm。
7、 如權(quán)利要求1所述的納米傳感器的原位測(cè)量裝置，其特征在于，還包括一套夾具，用于將盒蓋和盒底上下固定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種納米傳感器的原位測(cè)量裝置，該裝置包括一盛裝納米傳感器的盒子，該盒子由一盒底和一透明材料的盒蓋組成，納米傳感器固定在電學(xué)測(cè)量基片上，所述電學(xué)測(cè)量基片放置在盒底內(nèi)，用盒蓋密封住盒底，在所述盒蓋或盒底上設(shè)有兩個(gè)微孔，一個(gè)微孔與真空抽吸針閥的傳導(dǎo)管密封連接，另一個(gè)微孔與氣/液源的注入閥門的傳導(dǎo)管密封連接。利用該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精確地向納米傳感器表面注射微量氣體或液體，在進(jìn)行原位測(cè)量時(shí)，還可以為納米傳感器提供從大氣到高真空的氣氛環(huán)境。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易推廣的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101650326SQ200810118259
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日
發(fā)明者孫偉強(qiáng), 蔡明博, 許勝勇, 龔巍巍 申請(qǐng)人:北京大學(xué)