CN100538359C - 纳米结构微机械生化传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于微加工技术及微型检测器件范围的一种纳米结构微机械生化传感器。该微机械生化传感器是在SOI硅片下层硅上的SOI硅基体制作微悬臂梁结构，在微悬臂梁结构上覆盖二氧化硅绝缘层，其上层为单晶硅制备的加热电阻，纳米材料覆盖在加热电阻上，纳米材料加热装置通过引线和加热电阻连接；包括激光发生器和位置敏感探测器的传感器输出信号检测装置固定在微悬臂梁结构上方。本发明采用微加工制备微机械结构和检测传感器，绝缘绝热性能好，制作工艺简单，具有较高的检测灵敏度；纳米材料作为吸附爆炸物气体的材料，具有吸附性能好、选择性强的突出优点，有助于提高对爆炸物气体检测的灵敏度、缩短测量时间和提高测量准确性。

Description

纳米结构微机械生化传感器
技术领域
本发明属于微加工技术及微型检测器件范围，特别涉及用于检测包括爆炸物气体在内的多种气体和采用微加工技术，在微机械结构上生长或者淀积纳米材料的一种纳米结构微机械生化传感器。
背景技术
爆炸物检测是现代科技亟需发展的一个领域，在国防、反恐领域发挥着重要的作用，尤其是对爆炸物气体的检测，由于其检测十分困难而愈显重要。目前用于检测爆炸物的传感器如离子迁移率光谱、核子共振等，但采用上述技术的传感器存在体积大、造价昂贵以及不能微型化等一些缺点；对爆炸物气体最主要和最有效的检测手段仍旧是利用警犬，但组织大量的警犬进行检测也是不现实的。因此，采用微机械结构的传感器成为爆炸物检测的一个很好的选择。
微机械结构传感器具有微型化、成本低、可以批量生产等优点。现有的用于检测爆炸物的微机械结构传感器主要采用硅材料制作，其形式主要有微悬臂梁、微桥等。其主要工作机理是利用微机械结构材料的表面对爆炸物气体的吸附作用。相比于水蒸气和一些常见的存在于空气中的有机物，微机械结构的表面对爆炸性气体(如TNT)的吸附作用强而且不易解吸附。通过检测吸附造成的微机械结构固有谐振频率的变化可以知道吸附的爆炸物气体的质量。在吸附气体的质量达到一定数值时，利用脉冲电压对微机械结构加热引爆吸附的爆炸物，并利用光学方法或压阻方法检测爆炸造成的微机械结构的形变，实现对爆炸物气体的检测。
现有的用于检测爆炸物的微机械结构传感器的缺点在于：用于制作微机械结构的材料对爆炸物气体的吸附速率很慢，典型的对TNT的吸附速率在每秒10-12克量级。因此检测时间长，灵敏度低，准确性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度高，结构简单的用于检测包括爆炸物气体在内的多种气体的一种纳米结构微机械生化传感器。所述微机械生化传感器由微机械结构、纳米材料，纳米材料加热装置以及传感器输出信号检测装置组成；其特征在于，所述微机械结构采用SOI硅片制备，即是在SOI硅片下层硅11上为SOI硅基体10和SOI硅片经过微机械加工得到的微桥结构或微膜结构或微悬臂梁结构1，在微悬臂梁结构1上覆盖二氧化硅绝缘层12，其上层为单晶硅制备的加热电阻13；纳米多孔硅、碳纳米管、纳米线或纳米棒之一的纳米材料2覆盖在加热电阻13上，纳米材料加热装置3通过引线和加热电阻13连接；所述传感器输出信号检测装置4包括激光发生器41和位置敏感探测器42，固定在微悬臂梁结构1上方。
所述碳纳米管采用电泳或CVD方法生长在微机械结构上，其固定方向为垂直或水平方向；纳米多孔硅采用硅的阳极氧化制作在微机械结构上。
所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。
所述纳米材料加热装置产生脉冲电压，通过电阻对纳米材料加热；加热电阻制作在纳米材料下面的微机械结构上，采用SOI结构的上层单晶硅或普通硅片上淀积的多晶硅薄膜制作；
所述传感器输出信号的检测采用光学方法检测或采用压阻、电容或者压电方法检测。
本发明的有益效果是利用具有大表面积的纳米材料对包括爆炸物气体(如TNT)在内的多种气体具有优异的选择性吸附能力的特点，因此其吸附面积远大于微机械结构材料的吸附面积，且吸附速率远大于采用微机械结构本身的材料的吸附速率，可以大大提高检测的灵敏度和准确性。
附图说明
图1、本发明一个实施例的纳米结构微悬臂梁生化传感器整体结构示意图。
图2、本发明一个实施例的微桥结构示意图。
图3、本发明一个实施例的微膜结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种灵敏度高，结构简单的用于检测包括爆炸物气体在内的多种气体的一种纳米结构微机械生化传感器。本发明的设计机理是：生长在微机械结构上的纳米材料吸附爆炸物气体，外加的脉冲电压通过加热电阻对吸附爆炸物气体的纳米材料进行迅速加热，使温度超过爆炸物等分子的燃爆点，引爆爆炸物分子等气体，爆炸引起微机械结构的形变，利用光学方法、电容、压电或者压阻方法检测形变获得传感器的输出信号，实现对爆炸物气体的检测。所述微机械结构可以采用SOI硅片制备，用于加热纳米材料的电阻和用于检测传感器形变的压阻都采用SOI结构的上层单晶硅制作；由于SOI结构中二氧化硅层的绝缘绝热性能好，而且微机械结构是悬空的，因此加热能量集中于纳米材料，可以迅速达到超过爆炸物气体燃爆点的温度，提高检测速度；单晶硅压阻系数大，因此可以增大输出信号，提高传感器的灵敏度。使用普通硅片上淀积绝缘和绝热的二氧化硅隔离层，同样可以实现这种目的。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限于该实施例。
图1为本发明的一个采用微悬臂梁结构的实施例整体结构示意图，包括SOI硅片制备的微悬臂梁结构1，生长在微悬臂梁结构上的纳米材料2，纳米材料加热装置3，以及传感器输出信号检测装置4；
微机械结构采用SOI硅片制备，微机械结构可以是微悬臂梁结构、微桥结构或微膜结构。微机械结构可以采用两种微机械加工方式实现，一种方式采用SOI硅片制备，即是在SOI硅片下层硅11上为SOI硅基体10和SOI硅片经过微机械加工得到的微悬臂梁结构1，在微悬臂梁结构1上覆盖二氧化硅绝缘层12，其上层为单晶硅制备的加热电阻13；纳米材料2覆盖在加热电阻13上，纳米材料加热装置3通过引线和加热电阻13连接；另一种方式采用普通硅片制备，包括普通硅片基体10，以及普通硅片经过微机械加工得到的微机械结构：普通硅片衬底11、淀积的二氧化硅12和用淀积的多晶硅薄膜制备的加热电阻13；所述传感器输出信号检测装置4包括激光发生器41和位置敏感探测器42，固定在微悬臂梁结构1上方。微机械结构也可以采用图2中的微桥结构或图3中的微膜结构。
纳米材料2可以采用碳纳米管、纳米棒、纳米线等，也可以采用纳米多孔硅；碳纳米管可以采用电泳或CVD等方法生长在微桥结构、微膜结构或微悬臂梁结构1上，其固定方式可以是垂直的，也可以是水平的；碳纳米管可以是单壁的，也可以是多壁的；纳米多孔硅可以采用硅的阳极氧化制作在微悬臂梁结构1上；
纳米材料加热装置3产生脉冲电压，通过电阻13加热纳米材料2；加热电阻13制作在纳米材料2下面的微悬臂梁结构1上，采用SOI结构的上层单晶硅制作；
传感器输出信号的检测可以采用光学方法检测，也可以采用压阻、压电和电容等方法检测；光学方法是采用激光照射在微机械结构上，用位置敏感探测器探测激光反射的位置来检测微机械结构的形变和固有谐振频率的变化；压阻方法是利用硅的压阻效应，在微机械结构上制作压敏电阻并引出到检测电路，通过检测压敏电阻阻值的变化检测到微机械结构的形变和固有谐振频率的变化；压电检测是利用支撑微机械结构变形，使表面的压电薄膜层随之变形，通过测量压电薄膜产生的输出电压或电荷进行测量；电容测量是利用微结构与衬底之间组成电容，微结构变形时改变了电容的容量，通过测量电容变化进行测量。
本实施例中传感器输出信号检测装置4采用所述光学方法检测，包括激光发生器41和位置敏感探测器42；激光发生器41产生激光照射在微悬臂梁结构1上，用位置敏感探测器42探测激光反射的位置来检测微悬臂梁结构1的形变和固有谐振频率的变化。
本实施例的工作方式为：利用生长在微悬臂梁结构1上的纳米材料2吸附爆炸物气体，通过传感器输出信号检测装置4检测吸附造成的微悬臂梁结构1固有谐振频率的变化可以知道纳米材料2吸附的爆炸物气体的质量；在吸附气体的质量达到一定数值时，纳米材料加热装置3产生脉冲电压对纳米材料2加热引燃吸附的爆炸物，并利用传感器输出信号检测装置4检测由于爆炸造成的微悬臂梁结构1的形变，从而实现对爆炸物气体的检测。

Claims (4)

1.一种纳米结构微机械生化传感器，所述微机械生化传感器由微机械结构、纳米材料，纳米材料加热装置以及传感器输出信号检测装置组成；其特征在于，所述微机械结构采用SOI硅片制备，即是在SOI硅片下层硅(11)上为SOI硅基体(10)和SOI硅片经过微机械加工得到的微桥结构、微膜结构或微悬臂梁结构(1)，在微桥结构、微膜结构或微悬臂梁结构(1)上覆盖二氧化硅绝缘层(12)，其上层为单晶硅制备的加热电阻(13)；以纳米多孔硅、碳纳米管、纳米线或纳米棒为纳米材料(2)覆盖在加热电阻(13)上，纳米材料加热装置(3)通过引线和加热电阻(13)连接；所述传感器输出信号检测装置(4)包括激光发生器(41)和位置敏感探测器(42)，固定在微桥结构、微膜结构或微悬臂梁结构(1)上方。
2.根据权利要求1所述纳米结构微机械生化传感器，其特征在于，所述碳纳米管采用电泳或CVD方法生长在微机械结构上，其固定方向为垂直或水平方向；纳米多孔硅采用硅的阳极氧化制作在微机械结构上。
3.根据权利要求1所述纳米结构微机械生化传感器，其特征在于，所述碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。
4.根据权利要求1所述纳米结构微机械生化传感器，其特征在于，所述纳米材料加热装置产生脉冲电压，通过电阻对纳米材料加热；加热电阻制作在纳米材料下面的微机械结构上，采用SOI结构的上层单晶硅或普通硅片上淀积的多晶硅薄膜制作。
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