纳米悬臂梁阵列及其制备方法、谐振式阵列气体传感器技术

一种纳米悬臂梁阵列及其制备方法、谐振式阵列气体传感器，该纳米悬臂梁阵列包括衬底和悬臂梁阵列，悬臂梁阵列的每个悬臂梁均包括：支撑层，设置在衬底上，与衬底接触的一端形成U型悬臂梁支撑臂，支撑层远离U型悬臂梁支撑臂的一端悬空设置在衬底上；金属导电层，设置在支撑层上；以及敏感层，设置在远离U型悬臂梁支撑臂一侧的金属导电层上，其上设有敏感单元。本发明专利技术采用双臂支撑的悬臂梁结构，可以有效提高传感器的灵敏度；采用双臂支撑结构的悬臂梁阵列具有多个敏感单元，可以快速高灵敏地响应多种化学气体。

【技术实现步骤摘要】
纳米悬臂梁阵列及其制备方法、谐振式阵列气体传感器
本专利技术属于气体传感器领域，具体涉及一种纳米悬臂梁阵列及其制备方法、谐振式阵列气体传感器。
技术介绍
对多组分有机会发性气体(VOCs)混合物中的各个组分进行鉴定和定量分析一直是研究的热点。通过开发具有分布式局部特性的易于使用、便携式、小型化和耐用的化学传感器阵列有可能解决这一问题。这种便携式检测器能够在特定过程中进行实施、原位、在线和连续监测。传统的化学分析技术一般是基于色谱和光谱的分析技术，通过监测电子-光子相互作用、光吸收、发光或电化学等过程实现多组分气体的监测。近年来，电阻式传感器、电化学传感器，以及基于石英晶体微天平，声表面波和微悬臂梁的质量传感器的出现，推动了新一代化学分析仪器的发展。特别是基于纳机电系统(NEMS)谐振式质量传感器表现出超高的灵敏度：在真空下达到zeptogram(10-21g)级，在一个标准大气压下达到attogram(10-18g)级的质量灵敏度，为检测极微量的化学气体提供了可能。目前阻碍NEMS悬臂梁器件实际开发和广泛使用的一个障碍是难以在纳米尺度上实现敏感的位移传导。除了制造超小型机械装置的最初挑战之外，NEMS的成功实现还涉及到实现非常高频率的位移传感，同时达到极高的亚纳米分辨率的双重挑战。通常用于MEMS的位移传感方法不适用于NEMS。例如，电容式检测的效率在纳米级上会骤然下降，信号通常会被不可控的寄生效应所淹没。对于光学检测，当器件尺寸被缩放到远低于所使用的照明波长时，衍射效应会变得明显，并且光学设备体积往往很大，很难实现便携化。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的之一在于提出一种纳米悬臂梁阵列及其制备方法、谐振式阵列气体传感器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种纳米悬臂梁阵列，包括衬底和悬臂梁阵列，悬臂梁阵列的每个悬臂梁均包括：支撑层，设置在衬底上，与衬底接触的一端形成U型悬臂梁支撑臂，支撑层远离U型悬臂梁支撑臂的一端悬空设置在衬底上；金属导电层，设置在支撑层上；以及敏感层，设置在远离U型悬臂梁支撑臂一侧的金属导电层上，其上设有敏感单元。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种如上所述纳米悬臂梁阵列的制备方法，包括：在衬底上制备支撑层；在支撑层上制备金属导电层；在金属导电层上制备悬臂梁图形；刻蚀衬底将悬臂梁释放；在金属导电层上制备敏感层，得到所述纳米悬臂梁阵列。作为本专利技术的又一个方面，还提供了一种谐振式阵列气体传感器，包括：如上所述的纳米悬臂梁阵列或如上所述方法制备得到的纳米悬臂梁阵列，用于特异性吸附目标气体分子，并将化学信号转换为自身的热振动信号；驱动和读出电路，与纳米悬臂梁阵列的U型悬臂梁支撑臂连接，用于驱动纳米悬臂梁阵列发生共振，并测量其在吸附气体过程中固有频率的改变量；信号处理单元，与驱动和读出电路连接，用于记录固有频率的改变量信号，进行数据预处理和特征提取，然后模式识别使用已校准的数据进行数据评估，将结果输出给响应和输出单元；响应和输出单元，与信号处理单元连接，用于输出多组分混合气体的组成及具体浓度数值。基于上述技术方案可知，本专利技术的纳米悬臂梁阵列及其制备方法、谐振式阵列气体传感器相对于现有技术至少具有以下优势之一：(1)采用双臂支撑的悬臂梁结构，可以有效提高传感器的灵敏度；(2)采用双臂支撑结构的悬臂梁阵列具有多个敏感单元，可以快速高灵敏地响应多种化学气体；(3)利用热弹性驱动和压阻下混合的组合作为驱动和检测系统并将其在同一电路中实现，使传感器同时兼具卓越的便携性和快速读数的能力；(4)使用基于多层感知器(MLP)模型并结合反向传播算法(BP)的人工神经网络方法来实现对多种气体浓度的感测并精确分辨和量化，确保连续实时的分析能力。附图说明为了更好地理解本专利技术实施例，参考了附图，其中：图1为本专利技术实施例中纳米悬臂梁阵列的结构示意图；图2为本专利技术实施例中单个悬臂梁的结构示意图；图3为本专利技术实施例中驱动和读出电路的结构示意图；图4为本专利技术实施例中多层多输入单输出的多层感知器量化浓度估计模型的示意图；图5a-图5f为本专利技术实施例中纳米悬臂梁阵列的制备流程图。附图标记说明：10-衬底；11-支撑层；12-金属导电层；13-敏感层；14-U形悬臂梁支撑臂；15-连接电极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的基于NEMS的超灵敏微悬臂梁阵列气体传感器，使用悬臂梁阵列作为传感元件，通过模式识别算法应用于传感器阵列的响应。针对实现多组分有机会发性气体(VOCs)混合物中的各个组分的鉴定和定量分析的问题，提供了一种基于NEMS的超灵敏微悬臂梁阵列气体传感器。该悬臂梁阵列气体传感器通过驱动电路使悬臂梁阵列发生振动，当悬臂梁阵列气体传感器的敏感层在吸附气体后其质量增加，从而引起谐振频率的变化，通过读出电路测量各个悬臂梁对待测气体的响应。由于每个悬臂梁对多种气体都有响应，采用模式识别算法来实现对多种气体浓度的感测并精确分辨和量化。本专利技术公开了一种纳米悬臂梁阵列，包括衬底和悬臂梁阵列，悬臂梁阵列的每个悬臂梁均包括：支撑层，设置在衬底上，与衬底接触的一端形成U型悬臂梁支撑臂，支撑层远离U型悬臂梁支撑臂的一端悬空设置在衬底上；金属导电层，设置在支撑层上；以及敏感层，设置在远离U型悬臂梁支撑臂一侧的金属导电层上，其上设有敏感单元。在本专利技术的一些实施例中，所述支撑层采用的材料包括Si3N4或3C-SiC中的至少一种，厚度为60至100nm。在本专利技术的一些实施例中，所述金属导电层采用的材料包括金、铂、铜中的至少一种，厚度为20至40nm。在本专利技术的一些实施例中，所述敏感层采用的材料包括非导电聚合物、沸石、金属有机骨架、杯芳烃、纳米复合材料中的至少一种；在本专利技术的一些实施例中，所述纳米悬臂梁阵列中的不同敏感单元用于识别相同或不同的气体。本专利技术还公开了一种如上所述的纳米悬臂梁阵列的制备方法，包括：在衬底上制备支撑层；在支撑层上制备金属导电层；在金属导电层上制备悬臂梁图形；刻蚀衬底将悬臂梁释放；在金属导电层上制备敏感层，得到所述纳米悬臂梁阵列。本专利技术还公开了一种谐振式阵列气体传感器，包括：如上所述的纳米悬臂梁阵列或如上所述方法制备得到的纳米悬臂梁阵列，用于特异性吸附目标气体分子，并将化学信号转换为自身的热振动信号；驱动和读出电路，与纳米悬臂梁阵列的U型悬臂梁支撑臂连接，用于驱动纳米悬臂梁阵列发生共振，并测量其在吸附气体过程中固有频率的改变量；信号处理单元，与驱动和读出电路连接，用于记录固有频率的改变量信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米悬臂梁阵列，其特征在于，包括衬底和悬臂梁阵列，悬臂梁阵列的每个悬臂梁均包括：/n支撑层，设置在衬底上，与衬底接触的一端形成U型悬臂梁支撑臂，支撑层远离U型悬臂梁支撑臂的一端悬空设置在衬底上；/n金属导电层，设置在支撑层上；以及/n敏感层，设置在远离U型悬臂梁支撑臂一侧的金属导电层上，其上设有敏感单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种纳米悬臂梁阵列，其特征在于，包括衬底和悬臂梁阵列，悬臂梁阵列的每个悬臂梁均包括：
支撑层，设置在衬底上，与衬底接触的一端形成U型悬臂梁支撑臂，支撑层远离U型悬臂梁支撑臂的一端悬空设置在衬底上；
金属导电层，设置在支撑层上；以及
敏感层，设置在远离U型悬臂梁支撑臂一侧的金属导电层上，其上设有敏感单元。


2.根据权利要求1所述的纳米悬臂梁阵列，其特征在于，
所述支撑层采用的材料包括Si3N4或3C-SiC中的至少一种，厚度为60至100nm。


3.根据权利要求1所述的纳米悬臂梁阵列，其特征在于，
所述金属导电层采用的材料包括金、铂、铜中的至少一种，厚度为20至40nm。


4.根据权利要求1所述的纳米悬臂梁阵列，其特征在于，
所述纳米悬臂梁阵列中的不同敏感单元用于识别相同或不同的气体。


5.根据权利要求1所述的纳米悬臂梁阵列，其特征在于，
所述敏感层采用的材料包括非导电聚合物、沸石、金属有机骨架、杯芳烃、纳米复合材料中的至少一种。


6.一种如权利要求1至5任一项所述的纳米悬臂梁阵列的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上制备支撑层；
在支撑层上制备金属导电层；
在金属导电层上制备悬臂梁图形；
刻蚀衬底将悬臂梁释放；
在金属导电层上制备敏感层，得到所述纳米悬臂梁阵列。


7.一种谐振式阵列气体传感器，包括：
如权利要求1至5任一项所述的纳米悬臂梁阵列或如权利要求6所述方法制备得到的纳米悬臂梁阵列，用于特异性吸附目标气体分子，并将化学信号转换为自身的热振动信号；
驱动和读出电路，与纳米悬臂梁阵列的U型悬臂梁支撑臂连接，用于驱动纳米悬臂梁阵列发生共振，并测量其在吸附气体过程中固有频率的改变...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建海，陈婷婷，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11