基于硅基纳米梁谐振技术的重金属离子检测

发布时间：2020-05-30 22:52

【摘要】：纳机电系统(NEMS)是在特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电系统,具有超高的谐振频率、高品质因数、超低功耗和小的尺寸质量等优异性能,因此NEMS器件在高频振荡信号的产生与处理、超高灵敏质量探测等方面具有很好的应用前景。对重金属的分析检测一直是国内外研究和关注的热点,现有的水环境中重金属离子的检测方法存在不能现场在线检测或灵敏度不够高等问题。纳米梁/线是NEMS典型结构,利用纳米梁质量改变引起高频振动频移的原理实现水环境中重金属离子的痕量检测,具有灵敏度高,传感单元微小,可实现快速检测等优点。本文针对这种新型检测方法开展研究,主要工作如下:1.对纳米梁高频振动特性以及通过纳米梁频移检测加载质量的原理进行了推导分析,调研了各类NEMS谐振器检测驱动方法,确定采用静电驱动方法和压阻检测方法。基于上述原理设计了固支梁、悬臂梁、U型梁和H型梁结构,利用ANSYS软件对振动模态和谐振频率进行了仿真,确定纳米梁谐振频率理论值。2.选定具有矩形横截面的[110]、[111]和[112]三种典型晶向的硅基纳米双端固支梁,采用分子动力学方法仿真了其振动特性。结果显示一阶谐振频率随其尺寸的变化规律同宏观规律类似;谐振频率模拟值与基于连续体理论的计算值存在很大差异;相同尺寸下不同晶向的梁谐振频率存在差异且与宏观大小顺序相反。本文利用微观纳米梁表面效应的显著程度的差别解释了各种差异的原因。3.针对重金属铅离子(Pb~(2+))的吸附,对硅基纳米梁表面修饰材料进行了制备与表征。选定对Pb~(2+)和硅梁都具有良好亲和力的巯基功能化的介孔硅纳米颗粒,采用软模板法制备,TEM、SEM、EDS等表征。结果显示修饰在硅金复合实验片上的纳米颗粒小球密集、分布较均匀、大小一致、直径约30nm,且能够吸附足够量的Pb~(2+)。4.设计了各类硅基纳米谐振梁版图、工艺流程,对重点工艺讨论分析。然后在中科院苏州纳米所采用0.5μm工艺加工,记录详细工艺参数,总结了梁释放过程中铝金电极由于未涂胶保护被侧蚀而导致外翻、释放工艺中埋氧层SiO_2刻蚀不完全等问题,提出相应解决方案,实现硅基纳米谐振梁加工。采用Polytec激光多普勒测振仪在常温常压进行了测试,成功检测到一阶谐振频率在0.736MHz～1.608MHz的双端固支梁的振动。
【图文】：

它质量极其小，功耗只有 10-17W[2]，谐振频率可具有 10-24N 的超高力学灵敏度[5]。这些优异的性能使纳米梁质量探测、超小力和超小位移检测、生物化学传感等方面有很谐振频率使得纳米梁器件在微小质量的检测方面表现出异常的应用到水中重金属离子的检测这样一种方法具备高灵敏度、传，本文将对这种方法的实现进行探索性研究。概述统简介icro-electromechanical Systems,MEMS)技术是 20 世纪 80 年代技技术。MEMS 是集微机械与微电子功能于一体的微型机电电路和电源等组成。它通常具有获取信息、信息处理与控制及微机电系统示意图。主要由传感器、信号处理单元、通讯/过程主要是：输入物理信号，利用传感器将物理信号转换为电拟信号处理，最后通过执行器作用于外界。

件主要特性尺寸达到纳米数量级，材料将会产生一些新的效应。这些效应使得更具优越性，例如对外部阻尼运动非常敏感、很高的力学灵敏度、超部空间响应等等。但是由于是微小尺寸下产生的效应，使得 NEM和操作方式更加复杂，对器件工艺的要求明显提高。MS 器件不同于 MEMS 器件的一些主要特性：质因数 Q 值。谐振器件的品质因数 Q 是指一个振动周期内，振动系内损失的能量的比值。因此谐振器件工作时，能量损耗越小，品质对外部阻尼运动非常敏感，这一点对于各种传感器均具有重要的影得的品质因数 Q 大概在 103到 105，这大大超过电子器件所能获得的谐振频率。NEMS 可以在保留较高机械响应度的基础上获得很高的谐易地达到甚至远远超过 GHz。同时这两种特性组合带来的效应可以超低功耗下的可操作性，以及在一种适度的控制力下产生有用的非线是美国加州理工大学研制的 SiC 双端固支谐振梁，，其宽度为 100nm
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X832;O657.1

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本文编号：2688850