[实用新型]纳米悬臂梁阵列及谐振式阵列气体传感器

说明书

一种纳米悬臂梁阵列及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。本实用新型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。

技术领域

本实用新型属于气体传感器领域，具体涉及一种纳米悬臂梁阵列及谐振式阵列气体传感器。

背景技术

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。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的之一在于提出一种纳米悬臂梁阵列及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，作为本实用新型的一个方面，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。

实用新型作为本实用新型的另一个方面，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，本实用新型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；