Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система

Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система (МЭМС) предназначена для использования в газоанализаторах, в медицине в качестве биосенсоров, в микроэлектронике и других высокотехнологичных областях для контроля технологических процессов. Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система содержит группу резонаторов, закрепленных первыми концами на первом держателе, соединенном с подложкой. Причем резонаторы не все параллельны друг другу. Использование резонатора, который за счет своего изгиба посредством пьезокерамики может изменять исходную резонансную частоту непараллельного ему резонатора, будет повышать точность измерения благодаря различным исходным характеристикам измерения наличия одного и того же количества адсорбированных частиц на слое. Технический результат изобретения заключается в повышении точности анализа и расширении функциональных возможностей устройства. 10 ил.

 

Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система (МЭМС) предназначена для выявления наличия в жидких и газообразных средах частиц определенных видов. Эта система может быть использована в газоанализаторах, в медицине в качестве биосенсоров, в микроэлектронике и других высокотехнологичных областях для контроля технологических процессов. В вариантах исполнения для особо точных исследований эта система может представлять собой наноэлектромеханическую систему (НЭМС).

Известен молекулярный наномасс-спертрометр, содержащий нанорезонатор, закрепленный между первым и вторым держателями, соединенными с подложкой. Нанорезонатор выполнен в виде упругого элемента и изменяет свою резонансную частоту в зависимости от массы адсорбированных на нем частиц (молекул) [1]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Основной недостаток этого устройства заключается в том, что изменение частоты нанорезонатора связано с местом адсорбции на нем частиц. Чем ближе это место находится к середине нанорезонатора, тем больше изменение частоты. По этой причине данное устройство имеет недостаточную точность измерения. Второй недостаток связан с ограниченными функциональными возможностями устройства, которые определяются единственной методикой измерения.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности анализа и расширении функциональных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в многофункциональной сенсорной микроэлектромеханической системе, содержащей первый резонатор, закрепленный на первом держателе, соединенном с подложкой, на первом резонаторе нанесен первый сенсорный слой.

Существуют варианты, в которых первый сенсорный слой имеет возможность изменять проводимость при адсорбции на него частиц определенного типа или имеет возможность адсорбции частиц определенного типа.

Существует также вариант, в котором первый сенсорный слой выполнен в виде по меньшей мере одного локального фрагмента.

Существуют также варианты, в которых первая группа резонаторов закреплена первыми концами на первом держателе и имеют одинаковую ширину, длину и толщину.

Существует также вариант, в котором по меньшей мере один резонатор в первой группе резонаторов имеет переменную ширину и(или) толщину.

Существуют также варианты, в которых резонаторы из второй группы резонаторов имеют различную длину и(или) параллельны друг другу.

Существует также вариант, в котором резонаторы из третьей группы резонаторов не все параллельны друг другу.

Существует также вариант, в котором второй резонатор закреплен первым концом на первом держателе, а вторым концом на втором держателе.

Существует также вариант, в котором четвертая группа резонаторов закреплена первыми концами на первом держателе, а вторыми концами на втором держателе.

Существует также вариант, в котором пятая группа резонаторов закреплена первыми концами на третьем держателе, а вторыми концами на четвертом держателе.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности анализа и расширении функциональных возможностей устройства.

На фиг.1 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде первого резонатора, первым концом закрепленного на первом держателе.

На фиг.2 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде первого резонатора с сенсорным слоем в виде локального фрагмента.

На фиг.3 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде первой группы резонаторов одинаковой длины, ширины и толщины.

На фиг.4 изображен сенсорный элемент переменной ширины.

На фиг.5 изображен сенсорный элемент переменной толщины.

На фиг.6 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде второй группы резонаторов разной длины.

На фиг.7 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде третьей группы резонаторов, в которой не все резонаторы параллельны друг другу.

На фиг.8 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде второго резонатора, двумя концами закрепленная на двух держателях.

На фиг.9 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде четвертой группы резонаторов, закрепленной на двух держателях.

На фиг.10 изображена многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система в виде четвертой и пятой групп резонаторов, закрепленных на четырех держателях.

Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система включает первый резонатор 1, содержащий первый 2 и второй 3 концы и закрепленный первым концом 2 на первом держателе 4, соединенном с подложкой 5. На поверхности 6 резонатора 1 нанесен первый сенсорный слой 7. В качестве резонатора 1 могут быть использованы пленки из таких материалов, как SiC, Si3N4, A1N, а также нанотрубки. В качестве сенсорного слоя 7 можно использовать материалы SnO2, In2O3, Nb2O5, изменяющие электрическую проводимость в присутствии на их поверхности молекул определенного типа. Эти материалы могут наноситься методом вакуумного напыления или осаждением из раствора. Подробно использование этих материалов см. в [2, 3]. При измерении электрической проводимости к слою 7 должны быть подведены электроды, подсоединенные к блоку управления и измерения (не показаны). В качестве материалов электродов можно использовать напыляемое золото, а в качестве блока управления и измерения - модуль, описанный в [4]. В качестве материала слоя 7 можно использовать также вещества, способные захватывать молекулы или более сложные образования. Это могут быть антитела, иммобилизированные на резонатор 1 и соединенные с ним ковалентно. Подробно процесс иммобилизации описан в [5]. Следует заметить, что антитела могут быть нанесены сплошным слоем, на расстоянии друг от друга, превышающем их размеры, а также в виде локального фрагмента антител 8 (фиг.2) или вообще одного антитела, расположенного в определенном месте резонатора 1. Сенсорный слой, изменяющий свою проводимость, может быть также нанесен в виде локального фрагмента, (фиг.2). Следует также заметить, что если в качестве сенсорного слоя 7 используют вещества для захвата части, то резонаторы, например, из кварца, также могут содержать электроды, соединенные с блоком измерения, необходимые для возбуждения колебаний резонатора и измерения его частоты. Этот вариант описан в [6]. Возможен также вариант, в котором резонатор 1 возбуждают пьезокерамикой, а информация снимается с нее, либо с использованием интерферометра (не показаны).

Существует вариант, в котором на первом держателе 4 (фиг.3) закреплена первая группа резонаторов 9 посредством первых концов 10. Вторые концы 11 при этом свободны. На резонаторы 9 нанесены сенсорные слои 12. В одном из вариантов резонаторы 9 имеют одинаковую ширину А, одинаковую длину В и одинаковую толщину С. (Условно сенсорные слои, изображенные на фиг.1-фиг.7, будем называть первыми сенсорными слоями.)

Существует также вариант, в котором по меньшей мере один резонатор 13 (фиг.4) из первой группы резонаторов имеет переменную ширину, такую же переменную ширину будет иметь сенсорный слой 14.

Существует также вариант, в котором по меньшей мере один резонатор 15 (фиг.5) из первой группы резонаторов имеет переменную толщину. Сенсорный слой 16 может быть нанесен на резонатор 15 после формирования его переменной толщины, которую можно изготовить последовательным стравливанием ступенек (не показаны).

Существует также вариант, в котором резонаторы 17, 18 и 19 (фиг.6) из второй группы резонаторов 20 имеет разную длину Е, I, L. Такую же переменную длину будут иметь сенсорные слои 21, 22, 23.

Существует также вариант, в котором резонаторы 17, 18 и 19 (фиг.6) из второй группы резонаторов 20 параллельны друг другу. То же можно отнести к первой группе резонаторов 9.

Существует также вариант, в котором резонаторы 24, 25 и 26 (фиг.7) третьей группы резонаторов 27 не все параллельны друг другу. При этом резонаторы 24 и 25 могут содержать сенсорные слои 28 и 29, а резонатор 26 может быть покрыт слоем пьезокерамики 30, которая должна быть соединена с блоком управления и измерения (не показан). В свободном состоянии резонатор 26 может не касаться резонатора 25 за счет своего расположения на пьедестале 31.

Существует также вариант, в котором второй резонатор 32 (фиг.8) закреплен первым концом 33 на первом держателе 4, а вторым концом 34 на втором держателе 35. На поверхности 37 нанесен второй сенсорный слой 38. (Условно сенсорные слои, изображенные на фиг.8-фиг.10, будем называть вторыми сенсорными слоями.)

Существует также вариант, в котором четвертая группа резонаторов 40 (фиг.9) закреплена первыми концами 41 на первом держателе 4, а вторыми концами 42 на втором держателе 35.

Существует также вариант, в котором в дополнение к четвертой группе резонаторов 40 пятая группа резонаторов 50 (фиг.10) закреплена первыми концами 51 на третьем держателе 52, а вторыми концами 53 на четвертом держателе 54. Группы резонаторов 40 и 50 не касаются друг друга, т.к. держатели 52 и 54 тоньше держателей 4 и 35. Сенсорные слои на фиг.9 и фиг.10 условно не показаны.

Технологически резонаторы могут быть изготовлены способами, описанными в [7, 8, 9].

Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система работает следующим образом. Располагают МЭМС в зоне детекции частиц. При адсорбции частиц на сенсорном слое 7 (фиг.1) в одном варианте он может изменять свою проводимость, что позволяет судить о наличии определенных частиц в исследуемой среде. Подробнее см. в [2, 3]. В другом варианте при адсорбции частиц на сенсорном слое 7 резонатор 1 изменяет свою резонансную частоту, что также сигнализирует о наличии определенных частиц. Подробнее эту методику см. в [1, 9]. Существует вариант работы МЭМС, в котором эти две методики объединены. В этом случае можно детектировать частицы (молекулы) более точно и с расширенными функциональными возможностями за счет расширения диапазона исследуемых частиц. При адсорбции частиц на локальный фрагмент сенсорного слоя 8 (фиг.2) можно с повышенной точностью измерять массу частиц за счет однозначной определенности изменения частоты резонатора 1. При использовании МЭМС с первой группой резонаторов 9 (фиг.3) можно повышать точность измерения за счет усреднения измеряемых величин. Вместе с этим, если сенсорные слои 12 будут выбраны для адсорбции различных частиц, повысятся функциональные возможности МЭМС. При использовании резонаторов различной ширины 13 (фиг.4) и различной толщины 15 (фиг.5) повышается их прочность и долговечность функционирования. При этом их можно использовать в более жестких условиях эксплуатации, что соответственно расширяет их возможности применения. Использование второй группы резонаторов 20 различной длины повышает точность измерения и функциональные возможности за счет усреднения параметров. Использование резонатора 26 (фиг.7), который за счет своего изгиба посредством пьезокерамики 30 может изменять исходную резонансную частоту резонатора 25, будет повышать точность измерения благодаря различным исходным характеристикам измерения наличия одного и того же количества адсорбированных частиц на слое 29. Варианты, изображенные на фиг.8-фиг.10, повышают надежность резонаторов и соответственно расширяют функциональные возможности устройства за счет использования МЭМС в более жестких условиях, например в условиях агрессивной среды измерения.

Литература

1. Хлыстунов М.С. Наномеханика. Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. - М.: Магистр пресс, 2009, с.600-654.

2. Васильев А.А., Писляков А.В. и др. Газочувствительные приборы на микромашинной мембране: комбинация кремниевой технологии и технологии толстых пленок. Сенсор, №1, 2001, с 16.

3. Колешко В.М., Сергейченко А.В. Металлооксидные микроэлектронные газовые сенсоры: обзор. // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - №2, с.41-47.

4. Мирский Г.Я.. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986.

5. Патент RU 2267787, 20.01.2005.

6. Патент RU 2358340, 10.06.2009.

7. Патент RU 2124251, 27.12.1998.

8. Фэн Сонлинь. Микроэлектромеханические системы. Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. - М.: Магистр пресс, 2009, с.656-657.

9. Косцов Э.Г. Наноэлектромеханические системы. Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. - М.: Магистр пресс, 2009, с.662-675.

Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система, содержащая группу резонаторов, закрепленных первыми концами на первом держателе, соединенном с подложкой, отличающаяся тем, что резонаторы не все параллельны друг другу.