悬臂梁结构及制备方法、多组分微纳谐振气体传感器技术

本发明专利技术提供了一种悬臂梁结构及制备方法、多组分微纳谐振气体传感器，其中，该悬臂梁结构，包括：衬底和多个悬臂梁阵列组，每个悬臂梁阵列组包括至少四个悬臂梁，每个悬臂梁包括：支撑层，支撑层一端与衬底接触，支撑层另一端悬空设置在衬底上；金属电极层，覆盖于支撑层上；敏感层，覆盖于支撑层另一端上的部分金属电极层上。电极层上。电极层上。

【技术实现步骤摘要】
悬臂梁结构及制备方法、多组分微纳谐振气体传感器


[0001]本专利技术属于气体传感器领域，具体地，涉及一种悬臂梁结构及制备方法、多组分微纳谐振气体传感器。

技术介绍

[0002]在航空、航天、军工、核电、动力电池等广泛场合，存在着各类重要的装备，如火箭、航空发动机、武器装备、空间站、变电系统及动力电池，对其可靠准确的安全性监测和状态评估，可以及时发现可能出现的危险及故障，确保装备的正常可靠运行及人员的生命安全。
[0003]但是，这些重要装备在服役中，随着时间的推移，在热、电、磁及其它各种复杂作用下，装备会泄露、释放或产生各种痕量的气体，这些气体的成分和浓度可以作为装备运行状态评估的“标记物”，通过检测、分类与特征提取，建立这些“标记物”信息和装备运行状态、故障之间的关系。例如，SOF2、SO2F2常用于六氟化硫电气设备故障诊断的标记物；CO、H2、CO2、C2H4及甲醛等气体组分可反映出动力电池的服役状态；肼、甲肼等肼类气体组分可以作为发射井燃料及助推剂泄漏故障的标记物；H2、CO、肼类、苯等可以作为空间站运行过程中舱室内安全监测的标记物。
[0004]分析服役装备在运行过程中所产生的气体特征可以发现，这些气体组分复杂，分布范围广，涵盖无机和有机气体分子，同时这些气体组分含量浓度很低，接近ppb级。然而，这些装备不是基于转子系统，无法采用传统的机械故障诊断用的传感技术和信息提取技术。因此，针对这些服役装备的特殊性，其运行过程所释放的气体标记物监测，需求检测技术兼具微型化、高灵敏、高精度、低功耗、长寿命及智能化的特点。
[0005]目前，实现多组分痕量气体的高精度检测存在如下技术瓶颈：组分监测范围窄且准确度低，各气体组分间存在较大的干扰；检测灵敏度低，对一些痕量组分无法有效检测。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，为了解决上述技术问题至少之一，实现多组分混合气体中的各组分的坚定和定量分析问题，进而实现各组分气体的准确识别，本专利技术提供了一种悬臂梁结构及制备方法、多组分微纳谐振气体传感器。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种悬臂梁结构，包括：衬底和多个悬臂梁阵列组，每个悬臂梁阵列组包括至少四个悬臂梁，每个悬臂梁包括：支撑层，支撑层一端与衬底接触，支撑层另一端悬空设置在衬底上；金属电极层，覆盖于支撑层上；敏感层，覆盖于支撑层另一端上的部分金属电极层上。
[0008]根据本专利技术的实施例，其中，每个悬臂梁阵列组中每个悬臂梁的敏感层为相同的敏感材料，每个悬臂梁阵列组作为一个敏感单元，多个悬臂梁阵列组作为多个敏感单元，多个敏感单元的敏感材料均不相同。
[0009]根据本专利技术的实施例，其中，每个敏感单元通过每个悬臂梁阵列组中包括的至少四个悬臂梁串联形成；每个敏感单元用于识别不同的气体。
[0010]根据本专利技术的实施例，其中，每个敏感单元的敏感材料包括以下之一：金属氧化物、非导电聚合物、金属有机骨架、杯芳烃、复合材料。
[0011]根据本专利技术的实施例，其中，支撑层的材料包括：Si3N4或3C
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SiC，支撑层的厚度为60～100nm。
[0012]根据本专利技术的实施例，其中，金属电极层的材料包括以下之一：金、铂、铜，金属电极层的厚度为20～40nm。
[0013]本专利技术还提供了一种如上述悬臂梁结构的制备方法，包括：在衬底上制备支撑层；在支撑层上制备金属电极层；对金属电极层进行图形化，得到悬臂梁图形；刻蚀衬底释放悬臂梁；在部分金属电极层上制备敏感层，得到悬臂梁结构。
[0014]本专利技术还提供了一种多组分微纳谐振气体传感器，包括；如上述悬臂梁结构或如上述制备方法制备的悬臂梁结构，用于吸附目标气体分子，其中，悬臂梁结构包括多个悬臂梁阵列组；驱动和读出电路，与悬臂梁结构相连接，用于驱动悬臂梁结构发生振动，并测量悬臂梁结构中每个悬臂梁阵列组在吸附气体过程中振动频率的变化量；信号处理单元，与驱动和读出电路相连接，用于记录振动频率的变化量并进行数据预处理，得出数据结果；输出单元，与信号处理单元相连接，用于接收信号处理单元得出的数据结果。
[0015]根据本专利技术的实施例，其中，信号处理单元包括反向传播
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人工神经网络模型，反向传播
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人工神经网络模型采用双级模型，每级反向传播
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人工神经网络模型均包括输入层、隐含层和输出层。
[0016]根据本专利技术的实施例，其中，数据结果包括多组分混合气体的组成以及具体浓度值。
[0017]基于上述技术方案可知，本专利技术提供的悬臂梁结构及制备方法、多组分微纳谐振气体传感器具有以下至少之一或部分有益效果：
[0018](1)各敏感单元采用并行阵列结构，利用加权平均模型提高了各传感单元的灵敏度及可靠性，从而可以实现各种目标气体分子的高灵敏响应。
[0019](2)采用双级反向传播
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人工神经网络(BP
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ANN)的模式识别算法模型，解决了各组分交叉干扰的难点，可以实现各组分的高精度监测。
[0020](3)实现监测器件的微型化、低功耗及长寿命。
附图说明
[0021]图1示意性示出了根据本专利技术实施例的悬臂梁结构示意图；
[0022]图2示意性示出了根据本专利技术实施例的悬臂梁阵列组中的单个悬臂梁的结构示意图；
[0023]图3示意性示出了根据本专利技术实施例的悬臂梁结构的制备方法的示意图；
[0024]图4示意性示出了根据本专利技术实施例的悬臂梁结构的制备方法的流程图；
[0025]图5示意性示出了根据本专利技术实施例的双级反向传播
‑
人工神经网络模型的示意图。
[0026]【附图标记说明】
[0027]1‑
衬底；2
‑
支撑层；3
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金属电极层；4
‑
敏感层；5
‑
第一敏感层；6
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第二敏感层；7
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第三敏感层；8
‑
第四敏感层。
具体实施方式
[0028]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。
[0029]传统微纳谐振阵列气体传感器的结构大多采用多个悬臂梁并排排列在同一边的方法，这就使得气体与悬臂梁表面的接触面积变小，同时对待测气体组分的流速控制要求很高，而且器件体积较大，功耗较多。
[0030]基于上述专利技术构思，本专利技术提供了一种基于纳米机电系统(NEMS)的超灵敏微悬臂梁结构气体传感器，以多个悬臂梁阵列组做成的悬臂梁结构作为传感元件，可解决气体多组分高灵敏响应问题，通过模式识别算法模型解决各组分的准确识别，还能够增大谐振悬臂梁与待测组分气体的接触面积，同时缩小了传感器的总体积，有利于传感器小型化的实现。。
[0031]本专利技术提供了一种悬臂梁结构，包括：衬底和多个悬臂梁阵列组，每个悬臂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁结构，包括：衬底和多个悬臂梁阵列组，每个所述悬臂梁阵列组包括至少四个悬臂梁，每个悬臂梁包括：支撑层，所述支撑层一端与所述衬底接触，所述支撑层另一端悬空设置在所述衬底上；金属电极层，覆盖于所述支撑层上；敏感层，覆盖于所述支撑层另一端上的部分所述金属电极层上。2.根据权利要求1所述的悬臂梁结构，其中，每个所述悬臂梁阵列组中每个所述悬臂梁的敏感层为相同的敏感材料，每个所述悬臂梁阵列组作为一个敏感单元，多个悬臂梁阵列组作为多个敏感单元，多个所述敏感单元的敏感材料均不相同。3.根据权利要求2所述的悬臂梁结构，其中，每个所述敏感单元通过每个所述悬臂梁阵列组中包括的至少四个所述悬臂梁串联形成；每个所述敏感单元用于识别不同的气体组分。4.根据权利要求2所述的悬臂梁结构，其中，每个所述敏感单元的敏感材料包括以下之一：金属氧化物、非导电聚合物、金属有机骨架、杯芳烃、复合材料。5.根据权利要求1所述的悬臂梁结构，其中，所述支撑层的材料包括：Si3N4或3C
‑
SiC，所述支撑层的厚度为60～100nm。6.根据权利要求1所述的悬臂梁结构，其中，所述金属电极层的材料包括以下之一：金、铂、铜，所述金属电极层的厚度为20～40nm。7.一种如权利要求1～6任一项所述的悬臂梁...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建海，陈婷婷，马天军，薛宁，蔡浩原，赵佩月，
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：