專利名稱：混合微懸臂傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于傳感化學(xué)或生物分析物的微傳感器，以及更一般而言本發(fā)明涉及混合傳感器，適合于同時(shí)測(cè)量暴露在一種特殊化學(xué)和/或生物分析物中的一層聚合物薄膜厚度和導(dǎo)電率的變化，以傳感該特殊化學(xué)和/或生物分析物的存在。
背景技術(shù)：
堅(jiān)固、便宜、可靠和小的化學(xué)微傳感器的構(gòu)建可以根據(jù)一個(gè)可測(cè)的電信號(hào)如DC導(dǎo)電率進(jìn)行，這在當(dāng)前是非常感興趣的。當(dāng)前研究發(fā)展的目標(biāo)是構(gòu)建能夠探測(cè)和鑒別單獨(dú)的化學(xué)和/或生物分析物或它們的混合物的器件。理想地，這樣的傳感器應(yīng)該能夠在或者一種液體或者一種蒸氣環(huán)境中工作。
需求巨大的領(lǐng)域是用于環(huán)境研究，醫(yī)藥，以及反恐的揮發(fā)性氣體探測(cè)。傳感有機(jī)氣體已經(jīng)通過測(cè)量有機(jī)薄膜厚度和導(dǎo)電率的變化而得到。特別地，當(dāng)可揮發(fā)性大氣傳播的有機(jī)物溢出或偶然釋放到空氣中可以對(duì)儀器的內(nèi)部操作和生物產(chǎn)生有害影響。及早的探測(cè)可以將損害減小到最小并加快清除程序。
鑒別和量化大氣傳播的有機(jī)物例如苯，四氫呋喃，乙醇，氯仿以及其它有機(jī)物已經(jīng)由Freund和Lewis(Proceedings of the NationalAcademy of Sciences，92，2652，(1995))通過使用基于“有機(jī)鼻”傳感單元的聚吡咯材料展示。該傳感器通過在一個(gè)電容的橫截切面上淀積一層聚吡咯薄膜形成。該橫截面含有平行排的金屬，引線粘著在上面。導(dǎo)電聚合物在跨接金屬之間的空隙，完成前面的斷路。聚合物對(duì)暴露的空氣傳播氣體敏感，將它們吸附在薄膜上。這樣的傳感單元陣列在暴露到不同有機(jī)分析物氣體其電阻改變，產(chǎn)生一個(gè)化學(xué)可逆和一致圖形。這種圖形對(duì)每種分析物是可重復(fù)的和唯一的。
在醫(yī)學(xué)上，探測(cè)生物成因胺的能力可以幫助醫(yī)生診斷疾病。例如，苯胺和鄰甲苯胺根據(jù)報(bào)道是肺癌的生物標(biāo)志物質(zhì)，而根據(jù)腎衰竭病人的觀察，已經(jīng)報(bào)道二甲胺和三甲胺是魚腥尿毒癥呼吸的起因。這種胺類物質(zhì)的早期探測(cè)可以加快病人的診斷和治療。這種技術(shù)也允許住在沒有適當(dāng)衛(wèi)生保健區(qū)域的病人的醫(yī)生進(jìn)行遙控診斷。摻雜碳黑的聚苯胺聚合物已經(jīng)產(chǎn)生了一類化學(xué)電阻探測(cè)器，能夠以比人類嗅覺系統(tǒng)還要敏感1000,000倍的靈敏度傳感胺類物質(zhì)(G..Sotzing，etal.，Chem.Mater.，12，593-595，(2000))。當(dāng)胺類分析物例如丁胺暴露于聚合物薄層，在聚合物薄膜中膨脹。在薄膜矩陣中，該膨脹移動(dòng)導(dǎo)電的碳原子，使其在薄膜矩陣中彼此遠(yuǎn)離。由于導(dǎo)電的碳原子之間的距離增大，薄膜的電阻增強(qiáng)。測(cè)出的胺類物質(zhì)的電阻增強(qiáng)是唯一的，可以和其它的響應(yīng)區(qū)分開。
最后，考慮到出現(xiàn)的恐怖主義的威脅，通過可靠的傳感設(shè)備探測(cè)公共建筑物和運(yùn)輸領(lǐng)域的神經(jīng)性毒氣或其它揮發(fā)性/有毒的氣體的能力已經(jīng)變得更加重要了。摻雜高氯酸鋰的聚環(huán)氧乙烷聚合物化學(xué)電阻器，已經(jīng)被用來準(zhǔn)確的探測(cè)和分辨神經(jīng)性毒氣的模擬裝置甲基膦酸二異丙酯(DIMP)，二甲基膦酸甲酯(DMMP)，二甲基甲酰胺(DMF)(R.Hughes，et al.，Journal of The Electrochemical Society，148，1-8，(2001))。在這種系統(tǒng)中，聚合物分子在分析物被吸收時(shí)薄膜膨脹的過程中進(jìn)行重新排列。系統(tǒng)的導(dǎo)電性增強(qiáng)了，因?yàn)橐苿?dòng)電荷有更多的路徑移動(dòng)。系統(tǒng)的交流阻抗顯著降低，每種氣體產(chǎn)生了一種信號(hào)阻抗。
早在1986年，已經(jīng)展示了化學(xué)電阻器探測(cè)器的一般原理。早期的傳感試驗(yàn)，使用摻雜散步在相嵌(IDA)電極表面的酞菁染料薄膜的金屬原子，表明當(dāng)暴露于有機(jī)分析物氣體時(shí)薄膜有電阻變化。這些系統(tǒng)基于這樣一個(gè)事實(shí)，給定薄膜的電阻取決于暴露于傳感器的氣體類型(和其濃度)。氣體暴露的一致電阻響應(yīng)通過摻雜導(dǎo)電離子和軟化劑的基于有機(jī)聚合物系統(tǒng)得到展示。其它材料例如粘土也使用的很成功。
有機(jī)聚合物系統(tǒng)通過分析物氣體擴(kuò)散(融解或分配)到聚合物薄膜矩陣的過程進(jìn)行工作。通過聚合物的薄膜膨脹或收縮，或者改變了導(dǎo)電原子之間的距離，或者改變了移動(dòng)電荷形成的路徑，從而改變了聚合物的導(dǎo)電性。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)采用自然導(dǎo)電的有機(jī)聚合物，例如聚乙炔黑色素。這樣系統(tǒng)的導(dǎo)電性可以通過添加一種在聚合物矩陣中作為介電材料的增塑劑而得到增強(qiáng)。這增強(qiáng)了分子間的電容，如同在一個(gè)平行板極系統(tǒng)中的一種電介質(zhì)一樣。聚合物導(dǎo)電性還可以通過添加一種摻雜劑例如一種導(dǎo)電鹽或碳黑渣滓來增加。這兩種材料通過不同的方式增加了聚合物的電荷攜帶能力。添加一種導(dǎo)電鹽增加了薄膜中移動(dòng)電荷載流子的數(shù)目，允許電流更加容易地流動(dòng)。
在這些系統(tǒng)中在這方面引起注意的是碳黑有機(jī)聚合物復(fù)合物，通過在交叉梳狀陣列上旋涂或滴涂淀積。將碳黑元素包括進(jìn)有源傳感器材料中的專門目的是通過非導(dǎo)電有源聚合物材料獲得一個(gè)可測(cè)的DC導(dǎo)電性。引入分析物材料導(dǎo)致聚合物膨脹以及聚合物復(fù)合薄膜隨之的電阻變化。為了從一系列可能的物質(zhì)中鑒別特定的蒸氣和確定該蒸氣的濃度或?qū)Χ喑煞窒到y(tǒng)進(jìn)行相似的測(cè)量，這都需要構(gòu)建傳感元件的陣列。圖形識(shí)別技術(shù)或一個(gè)傳感器陣列輸出的主要成分分析能用于分析物鑒別和量化。
在這樣的系統(tǒng)中，碳黑用作原子之間的導(dǎo)電橋。當(dāng)原子靠在一起，電荷更容易流動(dòng)，當(dāng)聚合物膨脹和增加碳原子間距時(shí)，電荷更難流動(dòng)。碳黑傳感器能區(qū)分像分子對(duì)映體一樣緊密相關(guān)的東西。例如，在一個(gè)系統(tǒng)中，一種手征性聚合物摻有碳黑，然后暴露在+和-形式的對(duì)映體氣體中。在+/-情況下氣體被吸收的不同并且在整個(gè)電阻響應(yīng)下在兩種分子之間觀察到了10-20歐姆的差值(E.Severin et al.，Anal.Chem.70，1440-1443，(1998))。
然而，使用碳黑有機(jī)聚合物合成物會(huì)產(chǎn)生一系列的缺點(diǎn)。首先，由于在合成物構(gòu)建中的不可控變化，很難可靠地復(fù)制一給定系列的化學(xué)電阻元件的性能特性。第二，旋涂或滴涂的碳黑聚合物合成物在自然界中是固有的亞穩(wěn)定并且能隨時(shí)間變化或退化。第三，亞穩(wěn)定的合成物系統(tǒng)不能可靠地粘著在襯底表面上。第四，亞穩(wěn)定傳感元件反復(fù)地暴露在分析物蒸氣中可能導(dǎo)致性能特性易誤解的漂移和/或變化。第五，隨著暴露到分析物中，合成物材料中的碳可以慢慢釋放出分析物材料，這樣含有一個(gè)緩慢的恢復(fù)時(shí)間。第六，交叉梳狀陣列通常包括兩個(gè)元件-一個(gè)玻璃襯底和一個(gè)沿界面區(qū)域的金屬薄膜或線。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)致粘著問題。進(jìn)一步碳黑不能用于生物傳感，因?yàn)榛谏锓肿雍透街揭r底上的傳感器不能有效地結(jié)合例如碳黑這樣的材料。
從而，存在一個(gè)增強(qiáng)的微傳感器的需要，它含有改進(jìn)的敏感度以鑒別一種特殊分析物的存在和量化它的濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于確定生物和/或化分析物存在和數(shù)量的一個(gè)方法和儀器，使用一個(gè)混合傳感器，適合于同時(shí)測(cè)量一種材料的體積和電特性，該材料對(duì)感興趣的特殊生物或化學(xué)分析物的存在產(chǎn)生響應(yīng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的混合傳感器通過同時(shí)監(jiān)控暴露于一種樣品下的傳感器材料的阻抗和厚度變化來分析該樣品。
在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器材料是一個(gè)摻雜高氯酸鋰的聚環(huán)氧乙烷薄膜。
仍然在另一個(gè)實(shí)施例中，通過一個(gè)頻率分析儀以信號(hào)聯(lián)系一個(gè)傳感材料來測(cè)量阻抗，以及/或通過一個(gè)偏轉(zhuǎn)微懸臂傳感器接觸傳感材料的表面測(cè)量厚度。
仍然在另一個(gè)實(shí)施例中，混合傳感器設(shè)計(jì)成確定一個(gè)樣品中一種特殊分析物的同一性和濃度。
仍然在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明貫注于包括一個(gè)分立混合傳感器陣列的一個(gè)混合傳感器系統(tǒng)。
仍然在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明貫注于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建一個(gè)混合傳感器的方法。
仍然在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明貫注于使用在此描述的混合傳感器，確定在一個(gè)樣品中的一種分析物的同一性和/或濃度中至少的一個(gè)。


通過下面詳細(xì)的描述并結(jié)合附圖能更好地理解本發(fā)明。要強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)一般慣例，附圖的各種特征沒有按照比例畫出。相反，為了清晰，各種特征的尺寸任意擴(kuò)展或減小。附圖中包括的是下面的圖形圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)混合傳感器的典型實(shí)施例的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明，用于模擬一個(gè)混合傳感器“儲(chǔ)能電路”的典型實(shí)施例的示意圖；圖3是圖2所示“儲(chǔ)能電路”的一些電特性的奈奎斯特圖；圖4是圖2所示“儲(chǔ)能電路”的阻抗特性圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例的頻率響應(yīng)分析儀的框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型混合傳感器的阻抗傳感器圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型混合傳感器的奈奎斯特圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例的混合傳感器的阻抗圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型混合傳感器的奈奎斯特圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明對(duì)一個(gè)典型混合傳感器的阻抗-電壓圖；圖11a和11b是根據(jù)本發(fā)明示例的交叉梳狀陣列圖片；圖12是在摻鋰的聚環(huán)氧乙烷中“跳躍”現(xiàn)象的一個(gè)分子示意圖；圖13a和圖13b是根據(jù)本發(fā)明暴露在100％水蒸氣中的混合傳感器的阻抗響應(yīng)圖；圖14a和14b是根據(jù)本發(fā)明暴露在100％水蒸氣中的混合傳感器的位相偏移響應(yīng)圖；圖15a是一張根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型混合傳感器的圖片；圖15b是一張根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型混合傳感器的圖片；圖15c是一張根據(jù)本發(fā)明典型混合傳感器的微懸臂的偏轉(zhuǎn)臂照片；圖16是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型混合傳感器的厚度響應(yīng)圖；
圖17a是根據(jù)本發(fā)明暴露在100％水蒸氣后的典型混合傳感器的厚度響應(yīng)圖；圖17b是根據(jù)本發(fā)明暴露在50％水蒸氣后的典型混合傳感器的厚度響應(yīng)圖；圖18a表明了一種典型PEO傳感器材料的一張SEM圖片；圖18b表明了暴露于水后的一種典型PEO傳感器材料的一張SEM圖片；圖19是根據(jù)本發(fā)明暴露于水后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗、厚度、相移響應(yīng)圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明暴露于水后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗、厚度、位相偏移響應(yīng)圖；圖21是一個(gè)聯(lián)系如圖20所示的阻抗和厚度響應(yīng)圖；圖22a是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明暴露于水后的一個(gè)典型混合傳感器在不同頻率下的阻抗響應(yīng)圖；圖22b是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明暴露于水后的一個(gè)典型混合傳感器在不同頻率下的厚度響應(yīng)圖；圖22c是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明暴露于水后的一個(gè)典型混合傳感器在不同頻率下的位相偏移響應(yīng)圖；圖23a和圖23b是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明暴露于水后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗和厚度響應(yīng)圖；圖24a和24b是根據(jù)本發(fā)明暴露于190標(biāo)準(zhǔn)乙醇后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗和厚度響應(yīng)圖；圖24c和24d是根據(jù)本發(fā)明暴露于200標(biāo)準(zhǔn)乙醇后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗和厚度響應(yīng)圖；圖25a和25b是根據(jù)本發(fā)明暴露于b丙酮后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗和厚度響應(yīng)圖；圖26a和26b是根據(jù)本發(fā)明暴露于n-辛烷后的一個(gè)典型混合傳感器的阻抗和厚度響應(yīng)圖；圖27是圖23-26所示數(shù)據(jù)的厚度對(duì)阻抗的響應(yīng)圖；
圖28a和28b分別是圖23-26所示數(shù)據(jù)對(duì)溶解度參數(shù)的厚度和阻抗響應(yīng)圖；圖29a是根據(jù)本發(fā)明暴露于水、乙醇(標(biāo)準(zhǔn)200)、丙酮和n-辛烷后的一個(gè)典型混合傳感器的厚度對(duì)濃度響應(yīng)圖；圖29b是根據(jù)本發(fā)明暴露于不同濃度的丙酮后的一個(gè)典型混合傳感器的厚度對(duì)阻抗響應(yīng)圖；圖30是根據(jù)本發(fā)明使用一個(gè)典型傳感器基于測(cè)量得到的，用于在一個(gè)樣品中鑒別和量化一種分析物的圖；以及圖31a，31b和31c示出了根據(jù)本發(fā)明使用一個(gè)典型無定形聚合物材料測(cè)量的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明針對(duì)一個(gè)混合傳感器，適用于通過同時(shí)測(cè)量一個(gè)有機(jī)聚合物或合成物材料薄膜的厚度和導(dǎo)電率變化來分析分析物蒸氣。
在涉及本發(fā)明的細(xì)節(jié)之前，下面是本申請(qǐng)中使用的縮寫DIMP-甲基膦酸二異丙酯DMF-二甲基甲酰胺DMMP-二甲基膦酸甲酯FRA-頻率響應(yīng)分析儀GPIB-通用接口總線IDA-交叉梳狀陣列LiClO4-高氯酸鋰PEO-聚環(huán)氧乙烷PEVA-聚(乙烯乙酸乙烯酯)PIB-聚(異丁烯)PVA-聚(乙酸乙烯酯)USB(通用串行總線)在一個(gè)典型實(shí)施例中，即在圖1中所提供的示意圖，混合傳感器10由將一個(gè)傳感材料12放置在一個(gè)襯底14上，或者與一個(gè)信號(hào)分析儀設(shè)備16直接集成，或者與一個(gè)信號(hào)分析儀設(shè)備以信號(hào)聯(lián)系的方式，然后放置一個(gè)壓電微懸臂18的偏轉(zhuǎn)臂17接觸傳感材料12的一個(gè)表面20。
在這個(gè)實(shí)施例中，壓電微懸臂18用于厚度測(cè)量，以及一個(gè)信號(hào)分析儀16例如一個(gè)頻率響應(yīng)分析儀用于阻抗測(cè)量。在操作過程中同時(shí)測(cè)量厚度和阻抗，表征了薄膜暴露于一種特定氣體或液體樣品的響應(yīng)。由于膨脹導(dǎo)致了一個(gè)樣品中一個(gè)特定分析物的高敏感性多變量“指紋”，那么聚合物傳感薄膜中的阻抗變化可以聯(lián)系同時(shí)測(cè)量的厚度變化。每個(gè)變量的變化然后可以被量化并用于樣品中分析物類型和分析物濃度之間的區(qū)分。
傳感材料可以是一種化學(xué)傳感器材料例如一種聚合物或一種生物傳感器材料，例如一種生物分子或幾種材料的合成物。傳感材料可以在分立沉淀物中以電學(xué)聯(lián)系導(dǎo)電率傳感器并在一部分微懸臂傳感器上形成，例如在微懸臂的偏轉(zhuǎn)臂頂端上，或者傳感元件的一個(gè)連續(xù)涂層可以形成在表面上使得一部分偏轉(zhuǎn)臂掩埋于此。
如上描述，本混合傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)一個(gè)傳感器材料的導(dǎo)電率和厚度，以對(duì)一種特定分析物獲得一個(gè)“指紋”。例如，在上面描述的系統(tǒng)中，優(yōu)選使用交流電(AC)以測(cè)量摻鋰鹽PEO系統(tǒng)的阻抗。在這樣一個(gè)典型系統(tǒng)中，薄膜中一種電流的阻抗(Z)是AC，等效于材料的直流(DC)電阻，然而，在AC阻抗中路徑長(zhǎng)度并不是像在DC電阻中一樣是一個(gè)因子。同樣優(yōu)選AC探測(cè)電路因?yàn)閼?yīng)用DC能導(dǎo)致感應(yīng)電荷聚集，即介質(zhì)的極化。使用AC減輕這種極化現(xiàn)象，因?yàn)樾盘?hào)是正弦波它持續(xù)改變方向，不允許介質(zhì)中電荷的聚集或分離。
測(cè)量的阻抗依賴于通過介質(zhì)或元件施加波的頻率，使得阻抗可以以極坐標(biāo)符號(hào)(r，θ)表示，r等于信號(hào)幅度，θ等于電流后面的電壓的相移?？傋杩惯€可以以直角坐標(biāo)(a，b)表示，實(shí)部(a)和虛部(b)通過復(fù)關(guān)系給出R＝a+bi(1)或者方程
Z*＝Z’+jZ”(2)其中Z’是實(shí)部(a)，Z”是虛部(b)Z*是總阻抗。
根據(jù)本發(fā)明混合傳感器系統(tǒng)的測(cè)量總體上模仿包括電容和電阻串聯(lián)和并聯(lián)的電路。電阻模仿沿聚合物矩陣內(nèi)部或外部發(fā)生的流動(dòng)電荷輕微漂移量，電容模仿流動(dòng)電荷當(dāng)通過有機(jī)襯底運(yùn)動(dòng)的行為。流動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)通過矩陣的容易程度依賴于流動(dòng)離子的濃度以及可以獲得的流動(dòng)電荷能夠移動(dòng)到的位置數(shù)目。流動(dòng)電荷使用的溝道和位置的開和關(guān)依賴于襯底的狀態(tài)。從而，電阻和電容以串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合可以用于構(gòu)成“儲(chǔ)能電路”，以模擬聚合物系統(tǒng)的響應(yīng)，改變條件以確定正確的頻率用于施加給一個(gè)給定的聚合物系統(tǒng)。
對(duì)一個(gè)含有多電容與一個(gè)電阻并聯(lián)的系統(tǒng)，典型的儲(chǔ)能電路示于圖2，其相應(yīng)的奈奎斯特圖示于圖3。如圖所示，在圖3中一個(gè)頻率掃描加在如圖2所示的并聯(lián)RC電路，便繪制出一個(gè)半圓形。確實(shí)，如果頻率范圍足夠大的話，在奈奎斯特圖上可以看到多個(gè)半圓形。在半圓形右邊最遠(yuǎn)的點(diǎn)相應(yīng)于電路的電阻。半圓的最高峰的點(diǎn)是系統(tǒng)中電阻和電容具有相同效果的點(diǎn)。左邊最遠(yuǎn)點(diǎn)由于高頻波忽略或分路平行板，而相應(yīng)于電容的一個(gè)有效旁路。
傳感器電路的數(shù)學(xué)表達(dá)還可以從阻抗的基本定義中模擬。然后這些方程可以用于計(jì)算理論期望值。對(duì)于圖2所示的儲(chǔ)能電路，3個(gè)電容的總和(C2+C3+C4＝Cp)等于一個(gè)電容并聯(lián)R1和C1并關(guān)聯(lián)于一個(gè)阻抗Z1＝-jx1。電阻/電容元件R1和C1由Z2＝R1-jx2表示。阻抗Z以粗體表示是因?yàn)樗鼈兪窍嗔?。相量是?lián)系一個(gè)諧函數(shù)的矢量(含有一個(gè)幅度和相移)。電容以并聯(lián)相加作為它們每個(gè)電容的總和。并且阻抗以并聯(lián)相加作為它們倒數(shù)的和。根據(jù)下面導(dǎo)出1Z~=1Z~1+1Z~2]]>其中Z~1=-jx1]]>以及Z~2=-jx2]]>Z~t=(-jx1)(R-jx2)-jx1+R-jx2]]>Z~t=-x1x2-jx1RR-j(x1+x2)]]>
Zt=Z~Z~*]]>Zt=(x1x2)2+(x1R)2R2+(x1+x2)2]]>其中x1=12πfC1]]>以及x2=12πfCp]]>使用這些方程對(duì)系統(tǒng)根據(jù)(r，θ)其中Z＝r，可以計(jì)算出期望值。對(duì)如圖2所示的模型電路，這些計(jì)算的阻抗值的理論圖提供在圖4的圖中。
盡管測(cè)量阻抗可以通過使用一個(gè)直接測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)，如上面所描述的，在本發(fā)明混合傳感器的阻抗測(cè)量還可以使用一個(gè)頻率響應(yīng)分析儀(FRA)間接實(shí)現(xiàn)。它產(chǎn)生一個(gè)AC電壓(正弦波形狀)以串聯(lián)形式加在傳感器和分路電阻(它的形狀類似傳感器的形狀)上。該儀器通過頻率步進(jìn)，并分析在每一步沿傳感器(Vc)和旁路(Vs)的壓降。這兩個(gè)的比值被顯示出(沿相角)當(dāng)該結(jié)果是分路電阻(Rs)的倍數(shù)時(shí)，就可以知道傳感器的阻抗(Rc＝Z)的幅度。
在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，相角指的是傳感器電壓和施加電流之間的相位差?？偟膹?fù)阻抗可以在一個(gè)奈奎斯特圖(a，b)中畫出，作為阻抗對(duì)Log(頻率)(Z，Log(f))的函數(shù)，或者相移對(duì)Log(頻率)(θ，Log(f))的函數(shù)。這種方法詳細(xì)描述于參考(P.Bruce，PolymerElectrolyte Review，“電測(cè)量聚合物電解質(zhì)”Elsevier Applied Science，London；New York，1987 p.266-269)，它的公開在此引用作為參考。
開始于關(guān)系式V＝I×R(R實(shí)際上是Z的幅度，沒有相移)，我們可以數(shù)學(xué)上導(dǎo)出上面表明的關(guān)系，注意電流(I)在最終表達(dá)中并不存在。這是很重要的，因?yàn)榘ㄔ谶@些混合傳感器中的電流非常小，并且很難測(cè)量而不影響其值。電壓源的幅度值可以被調(diào)制，在電化學(xué)系統(tǒng)中推薦一個(gè)0.01V-0.1V的小電壓，以滿足低功耗的需要并避免損壞系統(tǒng)。對(duì)用于本發(fā)明的FRA的一個(gè)典型實(shí)施例電路圖提供于圖5。對(duì)這樣一個(gè)FRA的數(shù)學(xué)導(dǎo)出如下Vs＝IRsVc＝IRcVc＝IRc
Vs＝IRsVcVs=RcRs]]>VcVs*Rs=Rc⇒Z]]>在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，如前面所描述的，阻抗(Z)數(shù)據(jù)可以由機(jī)器以直角(a，b)或極坐標(biāo)(r，θ)如前面所描述的返回。
因?yàn)楸景l(fā)明傳感器的阻抗測(cè)量依賴于用于監(jiān)測(cè)器件的頻率，理解傳感器的頻率依賴性是很重要的。例如，使用一種包括PEO∶LiClO4混合物的傳感材料薄膜構(gòu)成的傳感器，重量的濃度比10∶1，使用一個(gè)FRA在傳感器上加上一個(gè)頻率掃描。對(duì)傳感器的掃描數(shù)據(jù)示于圖6，相移數(shù)據(jù)(初始收集的為負(fù)值)根據(jù)電化學(xué)慣例轉(zhuǎn)換成正度數(shù)。
然后根據(jù)上面描述的轉(zhuǎn)換方程直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)，以極坐標(biāo)收集的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到奈奎斯特圖，如圖7所示。觀察到的半圓相應(yīng)于先前由“儲(chǔ)能電路”模擬所預(yù)測(cè)的模型。
如所討論的，每個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)給定的頻率，低頻值在右邊高頻值在左邊。最大值在半圓的頂部在178Hz頻率。這個(gè)最大值相應(yīng)于電阻元件和電容元件分布相等的點(diǎn)。基本上純電阻的點(diǎn)發(fā)生在最左邊和最右邊。高頻值在左邊下降，含有的值幾乎等于零，相應(yīng)于通過材料的信號(hào)為低電阻。低頻值在右邊可以找到，它通過材料含有最大的電阻。
比較圖6和圖7的圖，示出了10Hz的信號(hào)頻率位于極坐標(biāo)圖(在Log(F)＝1)高阻抗臺(tái)階上的中間，以及在奈奎斯特圖上在半圓底部的最遠(yuǎn)右邊(約(12，0.1))。該頻率在極坐標(biāo)圖上的平臺(tái)區(qū)域含有最大電阻，意味著在該頻率的測(cè)量將產(chǎn)生該傳感材料只是電阻的測(cè)量。
頻率掃描數(shù)據(jù)也收集在直角坐標(biāo)中，然后轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)，如圖8和9所示。應(yīng)注意到在奈奎斯特圖上測(cè)量的b值為負(fù)，對(duì)極坐標(biāo)圖所有測(cè)量的角都轉(zhuǎn)化為正。將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成直角坐標(biāo)以及反之示出了每個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的一致性結(jié)果。另外，該數(shù)據(jù)相應(yīng)于前面示出的儲(chǔ)能電路值，和在低頻范圍的值在10.0×105歐姆量級(jí)在高頻范圍值在0.5×105歐姆量級(jí)的理論模型。
盡管對(duì)于一個(gè)典型實(shí)施例進(jìn)行頻率掃描數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)阻抗，應(yīng)該理解應(yīng)該得到這樣的數(shù)據(jù)以確定根據(jù)本發(fā)明混合傳感器系統(tǒng)的頻率依賴性。
如前面所討論的，對(duì)一個(gè)特定的測(cè)量除了確定恰當(dāng)?shù)念l率外，保持傳感系統(tǒng)功耗越小越好也是很重要的。太高的電壓消耗相當(dāng)大的功率，在通過電化學(xué)反應(yīng)時(shí)能夠潛在地?fù)p壞電路，而電壓太低在測(cè)量的數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出噪聲水平的增加。
圖10示出了一個(gè)頻率掃描圖以確定當(dāng)加上不同電壓時(shí)傳感器中噪聲的差異。在該圖中從0.01Hz-65kHz的頻率掃描加到一個(gè)傳感器上，使用0.01伏信號(hào)和0.1伏信號(hào)確定兩個(gè)信號(hào)之間的噪聲差。如圖所示，在中和高頻在兩個(gè)信號(hào)之間沒有重大差異。但是，觀察低頻響應(yīng)我們看到在0.01Hz水平直到10Hz(Log(F)＝1)對(duì)阻抗有巨大差異，直到1Hz(log(F)＝0)對(duì)相移有差異。0.01伏信號(hào)比0.1伏信號(hào)在這些低頻水平處更有噪聲以及更加不穩(wěn)定。10Hz頻率已經(jīng)示出能給出最大電阻響應(yīng)，并且該頻率位于對(duì)于0.01伏信號(hào)的噪聲區(qū)邊緣。因此，盡管某些頻率對(duì)傳感器系統(tǒng)的電阻響應(yīng)更好，選擇一個(gè)頻率能夠兼容傳感器使用的電壓也是很重要的。
盡管上面討論了特定的頻率測(cè)量，應(yīng)該理解這種頻率掃描測(cè)量阻抗可以用于在任何合適傳感器中阻抗測(cè)量的校驗(yàn)傳感器工作以及鑒別理想頻率和電壓。
例如，由FRA返回的值在初始頻率掃描儲(chǔ)能電路和典型傳感器，在低頻10×105歐姆量級(jí)到在高頻0.5×105歐姆量級(jí)。這些值與上面計(jì)算的理論預(yù)測(cè)值的幅度在同一量級(jí)。
此外，使用頻率對(duì)時(shí)間圖和奈奎斯特圖，還可以確定最佳測(cè)量信號(hào)的鑒別。例如，在上面描述的測(cè)量中，測(cè)量的最大阻抗在0.01Hz-100Hz頻率范圍為10×105歐姆量級(jí)。10Hz的值確定為用于信號(hào)測(cè)量的有希望的頻率，由于它的位置在這個(gè)峰值的中央以及環(huán)繞周圍測(cè)量它缺乏噪聲。178Hz的信號(hào)頻率確定為另一個(gè)有希望的頻率，因?yàn)樗前雸A奈奎斯特圓的最大值。盡管優(yōu)選這些值，應(yīng)該理解可以使用不太理想的值以獲得根據(jù)本發(fā)明混合傳感器的阻抗測(cè)量。
測(cè)量中電壓對(duì)噪聲的影響對(duì)0.1伏和0.01伏來確定。滿足微傳感器低功耗的需要要求使用低電壓信號(hào)。經(jīng)確定0.1伏能夠滿足這種需要以及低噪聲約束。對(duì)這個(gè)電壓噪聲在0.1Hz的頻率掃描下呈現(xiàn)出消失狀態(tài)，而0.01伏信號(hào)直到1Hz也顯示出很大的噪聲，功率接近10倍于10Hz測(cè)量的信號(hào)。結(jié)合這些測(cè)量可以確定，根據(jù)本發(fā)明混合傳感器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是使用10Hz或178Hz的頻率以及電壓幅度0.1伏。
盡管上面描述了一個(gè)頻率分析儀阻抗傳感器，應(yīng)該理解任何適合測(cè)量傳感器材料中導(dǎo)電率變化的信號(hào)分析儀都可以用于本發(fā)明混合傳感器。
與此同時(shí)，微懸臂傳感器形成在一個(gè)與包括傳感材料的表面隔開的襯底上。傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝技術(shù)可以用于形成微懸臂。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，如圖所示，微懸臂可以包括一個(gè)懸垂部分，延伸至懸垂襯底的邊緣，并允許含有傳感材料的襯底和表面位置近似互相靠近，使得微懸臂的偏轉(zhuǎn)臂可以至少部分粘著并/或粘著在傳感材料中。一個(gè)微操縱器例如掃描隧道顯微鏡(STM)臺(tái)可以用于定位及對(duì)準(zhǔn)元件。
微懸臂的偏轉(zhuǎn)臂優(yōu)選由對(duì)分析物、引入到排列中的以及可以包括目標(biāo)分析物的氣體和液體介質(zhì)的攻擊有抵抗性的半導(dǎo)體材料。微懸臂的偏轉(zhuǎn)臂可用于氣體和液體環(huán)境。微懸臂的偏轉(zhuǎn)臂包括至少一個(gè)可測(cè)的物理屬性，當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)在偏轉(zhuǎn)臂中通過偏轉(zhuǎn)該偏轉(zhuǎn)臂的掩埋部分而發(fā)生變化，從而對(duì)周圍傳感材料的體積變化進(jìn)行響應(yīng)。
包括偏轉(zhuǎn)臂的混合探測(cè)器的微懸臂尺寸將根據(jù)各種實(shí)施例而改變。在一個(gè)典型實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度范圍從100微米到200微米，高度范圍為10微米到50微米，寬度范圍為25微米到75微米，但是作為選擇可以使用其他尺寸。進(jìn)一步，應(yīng)注意到偏轉(zhuǎn)臂的基本水平配置在它示例的剩余部分中僅僅是典型的，并且當(dāng)它在其剩余部分時(shí)，該偏轉(zhuǎn)臂可以關(guān)于水平線向下傾斜地形成。在那種情況下，偏轉(zhuǎn)臂的軸關(guān)于每個(gè)襯底的頂部和底部可以形成一個(gè)銳角。
構(gòu)成偏轉(zhuǎn)臂的材料應(yīng)該選擇使得偏轉(zhuǎn)臂的彎曲響應(yīng)于傳感材料在垂直方向的一個(gè)體積變化，即使該偏轉(zhuǎn)臂浸沒在一種液體介質(zhì)中，例如可以被引入到傳感材料用于分析。
偏轉(zhuǎn)臂進(jìn)一步包括至少一個(gè)可測(cè)物理屬性，當(dāng)應(yīng)力通過臂的偏轉(zhuǎn)加在臂上時(shí)發(fā)生變化，從而對(duì)周圍傳感材料的垂直體積擴(kuò)展進(jìn)行響應(yīng)，如將在隨后的圖中示出。當(dāng)偏轉(zhuǎn)臂偏轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)可測(cè)物理屬性變化的實(shí)例是電阻。為提供一個(gè)當(dāng)偏轉(zhuǎn)臂偏轉(zhuǎn)時(shí)變化的電阻，一個(gè)壓阻部件形成在偏轉(zhuǎn)臂中。根據(jù)其它典型實(shí)施例，該壓阻部件可以形成在偏轉(zhuǎn)臂頂?shù)谋砻婊蛳旅妗?br> 根據(jù)一個(gè)典型實(shí)施例，壓阻部件可以為一層薄膜例如鈦酸鋇，在微懸臂制作工藝過程中集成地形成在偏轉(zhuǎn)臂中。當(dāng)偏轉(zhuǎn)臂彎曲時(shí)，壓阻部件的電阻由于部件中的機(jī)械應(yīng)變而改變。根據(jù)一個(gè)典型實(shí)施例，微懸臂的無應(yīng)變電阻可以在2k歐姆的量級(jí)。該典型的可測(cè)物理屬性因此由于彎曲而改變。探測(cè)方法用于測(cè)量這種在電阻上的變化。微懸臂的敏感性以及探測(cè)方法精度使得僅僅十分之幾埃的彎曲將導(dǎo)致一個(gè)可測(cè)的電阻變化。
根據(jù)一個(gè)典型實(shí)施例為測(cè)量電阻變化，導(dǎo)線可以通過接觸耦合到壓阻部件。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)接觸將通過偏轉(zhuǎn)臂的表面延伸以接觸壓阻部件。然后導(dǎo)線可以耦合到一個(gè)適合測(cè)量壓阻部件電阻的傳統(tǒng)電路中。
應(yīng)該理解電阻作為壓阻的可測(cè)物理屬性僅僅是示例性的。根據(jù)其他典型實(shí)施例，當(dāng)偏轉(zhuǎn)臂彎曲時(shí)可以變化的各種其它物理屬性都可以和相聯(lián)系的適合測(cè)量這種變化的探測(cè)方法一道使用。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，探測(cè)方法適合測(cè)量偏轉(zhuǎn)程度。反過來可以提供一個(gè)電路或其它方法以便于測(cè)量可測(cè)物理屬性的改變。當(dāng)測(cè)量這種變化時(shí)，可測(cè)物理屬性在彎曲之前和之后測(cè)量，結(jié)果比較于探測(cè)的一個(gè)變化以及變化程度。然后該變化本身可以聯(lián)系待探測(cè)的分析物的存在，物理屬性的變化程度將優(yōu)選相應(yīng)于臂偏轉(zhuǎn)的程度，反過來將優(yōu)選相應(yīng)于分析物存在的濃度量。根據(jù)另一個(gè)典型實(shí)施例，當(dāng)臂偏轉(zhuǎn)時(shí)，偏轉(zhuǎn)臂可以包括多于一個(gè)可測(cè)物理屬性。
本發(fā)明還提供了探測(cè)方法例如各種電路，來探測(cè)可測(cè)物理屬性或偏轉(zhuǎn)臂特性的變化?？蓽y(cè)物理屬性將優(yōu)選在引入可以包括待探測(cè)分析物的介質(zhì)之前和之后測(cè)量。介質(zhì)的引入以密切地接觸傳感材料。
傳感材料可以使用傳統(tǒng)方法形成在表面上。對(duì)示出的典型實(shí)施例，其中傳感材料作為材料的分立襯墊形成，該材料和阻抗分析儀以信號(hào)相聯(lián)系而形成在表面上，并部分包住偏轉(zhuǎn)臂的懸垂部分，傳感材料可以通過滴劑淀積形成，例如使用微毛細(xì)管，或使用噴墨式印刷機(jī)技術(shù)來形成直接在偏轉(zhuǎn)臂懸垂部分頂部的小滴。作為選擇，還可以使用其它用于淀積傳感材料的方法。傳感材料淀積物可以呈現(xiàn)坑洼，襯墊或小滴的形狀。作為選擇，表面或一部分偏轉(zhuǎn)臂本身可以在淀積傳感材料之前得出，以促進(jìn)粘著。
如上面討論的，任何合適的傳感材料可以用于本發(fā)明的混合傳感器中。在本發(fā)明中確定一種材料用于作為一種傳感材料的適合性，溶解度參數(shù)(δ)提供了一個(gè)鑰匙，用于檢驗(yàn)需要傳感所有可能的空氣傳播的溶劑的聚合物薄膜類型和數(shù)目。溶解度參數(shù)是一種材料中分子的吸引長(zhǎng)度或內(nèi)聚能，并最初用于計(jì)算混合流體自由能。這個(gè)概念已經(jīng)延伸到溶劑(氣體或液體)和聚合物，因?yàn)槿軇┡c近似相同δ的一種給定聚合物含有接近的零的混合焓，從而自發(fā)地混合。Eastman和Hughes示出了聚(異丁烯)(PIB)對(duì)具有小δ值的分析物具有最大的敏感性，而聚(乙酸乙烯酯)最好響應(yīng)于具有大δ值的溶劑(Eastmanet al.，Journal of the Electrochemical Society，146，3907-3913(1999))。使用該參數(shù)，對(duì)一個(gè)給定的溶劑空間可以理論上提出一個(gè)通用傳感器陣列。使用的聚合物的數(shù)目和類型將基于它們的溶解度參數(shù)預(yù)選出來，以涵蓋定義的溶劑空間的高，低，和中間值。
表1普通溶劑的Hildebrand溶解度參數(shù)

傳感材料可以對(duì)化學(xué)或生物材料敏感。對(duì)于一種化學(xué)傳感材料的情況，純聚合物或聚合物結(jié)合的復(fù)合物材料可以用于探測(cè)液相或氣相分析物。形成之后，在一個(gè)典型實(shí)施例中聚合物傳感材料呈現(xiàn)出某種彈性一致性。聚合物化學(xué)傳感材料的選擇使得在存在至少一種待探測(cè)分析物存在的情況下，經(jīng)受體積膨脹或收縮。這在分析物吸引并與傳感材料結(jié)合時(shí)發(fā)生，典型地通過，吸附，吸收，分割，或結(jié)合。示例的聚合化學(xué)傳感器材料包括聚(乙酸乙烯酯)(PVA)，聚(異丁烯)(PIB)，聚(乙烯乙酸乙烯酯)(PEVA)，聚(4-乙烯基苯酚)，聚(苯乙烯共烯丙醇)，聚(甲基苯乙烯)，聚(N-乙烯吡咯烷酮)，聚(苯乙烯)，聚(砜)，聚(甲基丙烯酸甲酯)，以及聚(環(huán)氧乙烷)(PEO)。
根據(jù)另一個(gè)典型實(shí)施例，聚合化學(xué)傳感材料可以為一種復(fù)合材料，包括多于一種上面或其它示例化合物。作為選擇還可以使用其它傳感材料。暴露于目標(biāo)分析物時(shí)，化學(xué)傳感器經(jīng)受包括垂直方向的體積變化，當(dāng)分析物由傳感材料吸附時(shí)，以在偏轉(zhuǎn)臂上以垂直方向施加一個(gè)應(yīng)力。
傳感材料還可以是一個(gè)生物傳感器，例如生物分子，它在選擇作為待探測(cè)分析物存在情況下經(jīng)受構(gòu)象的變化。根據(jù)一個(gè)典型實(shí)施例，傳感材料可以為一種硫醇單線DNA(脫氧核糖核酸)粘著到一個(gè)由金形成的襯底上。DNA單線的硫醇端與金有很好的粘附。這種生物傳感器可以用于探測(cè)互補(bǔ)DNA線。DNA優(yōu)選以雙線配置存在。如果互補(bǔ)DNA線(分析物)包括在引入到傳感元件的介質(zhì)中，該互補(bǔ)線將非常牢固地結(jié)合在硫醇線上，有效地增加了金襯底上DNA層的厚度，或者作為選擇，在垂直方向產(chǎn)生體積膨脹。
根據(jù)一個(gè)生物傳感器的另一個(gè)典型實(shí)施例，對(duì)要傳感的希望分析物特定的一層抗體，例如一種特定病毒，形成在表面上。當(dāng)存在分析物病毒時(shí)，它牢固地粘著并隨之結(jié)合抗體層。在這種方式下，層的厚度增加并表示了垂直方向的體積變化。根據(jù)其它典型實(shí)施例，可以使用其它生物傳感元件，它響應(yīng)選擇作為待傳感分析物的存在而經(jīng)受一個(gè)物理或形態(tài)學(xué)變化。在每個(gè)情況下，傳感材料吸附分析物并在體積的垂直方向膨脹或收縮，偏轉(zhuǎn)了偏轉(zhuǎn)臂的掩埋部分以及在偏轉(zhuǎn)臂粘著基底的部分上生成一個(gè)可測(cè)應(yīng)力。仍然根據(jù)另一個(gè)典型實(shí)施例，生物傳感器可以選擇為體積在垂直方向收縮，以響應(yīng)選擇作為待探測(cè)分析物的存在。
在一個(gè)典型實(shí)施例中，傳感材料包括在一個(gè)交叉梳狀陣列(IDA)上的一種摻高氯酸鋰的聚環(huán)氧乙烷(PEO)薄膜，例如在圖11a和11b中提供的任何一張示例性顯微照片所示的。PEO是一種特別優(yōu)選的聚合物用于作為一層薄膜傳感材料，因?yàn)楫?dāng)PEO摻雜鋰鹽時(shí)，結(jié)果是改進(jìn)了室溫導(dǎo)電性。
盡管不受理論束縛，在PEO材料中導(dǎo)電性的變化認(rèn)為是聯(lián)系鋰?yán)油ㄟ^PEO矩陣移動(dòng)能力。在這種實(shí)施例中，PEO聚合物薄膜的響應(yīng)將是單個(gè)氣體的特征并將作為一個(gè)“指紋”，可以存儲(chǔ)在庫中并在以后作為鑒別未知?dú)怏w的參考。除了聚合物的導(dǎo)電性，使用PEO作為襯底的其它好處包括隨時(shí)間的耐久性，以及它暴露于分析物氣體停止時(shí)自身“復(fù)位”到基準(zhǔn)狀態(tài)的能力。PEO還顯示了好的熱耐久性，對(duì)各種揮發(fā)性有機(jī)化合物大的阻抗響應(yīng)，以及暴露后比較快及完全地復(fù)位。另外，產(chǎn)生敏感結(jié)果需要相對(duì)較小量的聚合物。
如前面討論的，PEO具有溶解度值24.2Mpa1/2，處在表1的中間，并相應(yīng)于許多有機(jī)分析物。乙醇(26Mpa1/2)和丙酮(20.5Mpa1/2)在表中落在PEO的兩邊并且應(yīng)該容易混合。而異辛烷(24.1Mpa1/2)和水(48Mpa1/2)離PEO很遠(yuǎn)位于很遠(yuǎn)的兩端，應(yīng)該不會(huì)混合的很好。然而，當(dāng)PEO摻有高氯酸鋰，室溫導(dǎo)電性增加，因?yàn)楫?dāng)允許干PEO形成長(zhǎng)螺旋狀或Z字形一致構(gòu)造，提供了一個(gè)Li陽離子在聚合物矩陣中具有移動(dòng)性。正移動(dòng)電荷可以沿PEO分子以一個(gè)成為“跳躍”的過程移動(dòng)到負(fù)性的不同區(qū)域，以圖12中所示。
盡管不受理論束縛，認(rèn)為PEO薄膜的導(dǎo)電性聯(lián)系以薄膜矩陣中Li+陽離子流的電阻。因此，在工作過程中，分析物氣體分子進(jìn)入聚合物矩陣的內(nèi)部過道區(qū)，重新排列電荷流的瓶頸電阻，允許更多或更少空間用于移動(dòng)電荷移動(dòng)。該行動(dòng)改變了AC阻抗(其中DC電阻是一個(gè)分量)，對(duì)給定分析物產(chǎn)生了一個(gè)標(biāo)記電阻變化。唯一的變化是由于分析物氣體的物理和化學(xué)特性。氣體在大小和極化的差異影響將吸收進(jìn)聚合物薄膜中的多少和多快。
盡管PEO對(duì)Li+的任何合適比值都可以用于本發(fā)明，PEO∶Li+的一個(gè)優(yōu)選的范圍位于重量為6∶1-15∶1的區(qū)域。PEO∶Li+比在這樣一個(gè)范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生活躍的導(dǎo)電薄膜。較低濃度的Li+一般不能夠提供足夠的電荷載流子沿系統(tǒng)自由移動(dòng)以增加導(dǎo)電性，使用較高濃度的Li+(例如，混合物重量接近1∶1)，并且聚合物薄膜將不會(huì)變干以形成一層膜，卻將保持一種發(fā)粘的油狀狀態(tài)。
盡管在上面討論了PEO系統(tǒng)，應(yīng)該理解其它純聚合物以及摻雜聚合物系統(tǒng)可以用于本發(fā)明。例如，移動(dòng)Li+沿溝道在聚合物矩陣中的負(fù)區(qū)之間“跳躍”或“隧穿”也已經(jīng)在聚苯胺-聚環(huán)氧乙烷系統(tǒng)中觀察到。
實(shí)例根據(jù)本發(fā)明對(duì)一個(gè)傳感器實(shí)施例進(jìn)行了一系列示例性傳感研究。在下面的研究中，各種化學(xué)物質(zhì)用于進(jìn)行傳感器和圖像研究。用于制備薄膜傳感材料的有機(jī)聚合物是聚環(huán)氧乙烷，分子量4000000g/摩爾，從Aldrich Chemical購得。PEO摻有高氯酸鋰(BakerAnalytical，LiClO4)以增加導(dǎo)電性。PEO和LiClO4都溶解在極性疏質(zhì)子溶劑(Aldrich，CH3CN)中。傳感器系統(tǒng)包括有機(jī)聚合物薄膜涂在Microsensor System制作的交叉梳狀陣列(IDA)上。引線使用從Ablestik和Loctite購得的兩種類型導(dǎo)電環(huán)氧樹脂粘著IDA。Ablebond84-1LMISR4在175℃的烘箱的硬化時(shí)間為2小時(shí)，或者對(duì)Loctite3888環(huán)氧樹脂在室溫一整夜。IDA使用Elmer橡膠泥安裝在鐵棒上。用于起泡器裝置的壓縮氮?dú)鈿夤抻米鬟\(yùn)載氣體。
阻抗和相移數(shù)據(jù)使用Solartron/Schlumberger 1250頻率響應(yīng)分析儀(FRA)得到，它產(chǎn)生一個(gè)頻率調(diào)制信號(hào)，在經(jīng)過電路單元后進(jìn)行恢復(fù)和分析。厚度變化通過使用一個(gè)從Microscopes Inc.購得的壓電懸臂測(cè)量，型號(hào)#PLCT-SAMT。懸臂的彎曲產(chǎn)生使用KeithleyMultimeter 199 DMM的一個(gè)電阻響應(yīng)。一個(gè)便攜手持Wavelek X15萬用表用于所有其它電學(xué)故障診斷。LabView繪圖程序軟件和從National Instruments的一個(gè)通用接口總線(GPIB/USB)插頭用于將FRA和Multimeter與Sony(900MHz Athlon處理器/40GB內(nèi)存)微型計(jì)算機(jī)連接，用于數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測(cè)目的。成像和懸臂安裝的使用一臺(tái)Park Scientific Scanning Force Microscope(SFM)完成。薄膜通過一臺(tái)Mitutoyo制造的可調(diào)節(jié)薄膜涂布機(jī)均勻涂布。輸送變化氣體濃度，使用一個(gè)玻璃和Tygon管道起泡器系統(tǒng)將干氮?dú)鈿夤藓头治鑫锲鹋萜鳉夤捱B接到一個(gè)適合SFM密封混合傳感器系統(tǒng)的頭罩上。
SFM成像在聚合物薄膜表面使用地形(示出表面特征)和相襯(示出材料組成的差別)設(shè)置進(jìn)行。在5微米和2微米水平進(jìn)行掃描。聚合物如上面來制備，薄膜的制備通過對(duì)鐵棒滴涂聚合物并使用涂布機(jī)將其涂布平坦。對(duì)純PEO聚合物，PEO摻雜Li+以7∶1，10∶1，15∶1和20∶1重量濃度，以及在25，50，75和100％水蒸氣下進(jìn)行成像。
制作傳感單元開始于預(yù)檢查IDA。使用粘著在萬用表上的針尖探頭在電極襯墊上測(cè)量電阻。當(dāng)陣列中沒有指接觸到相鄰的指時(shí)，返回的值應(yīng)該是無窮的。IDA的表面在視覺上檢查清潔度，任何灰塵或塵土使用壓縮空氣去除。然后使用乙腈洗滌表面并增加粘著薄膜。傳感器接線使用硝酸在端點(diǎn)剝掉絕緣性。然后使用蒸餾水清洗和化學(xué)擦拭暴露的導(dǎo)線。測(cè)量接線電阻并丟棄大電阻導(dǎo)線。使用一片載玻片作為基底，以將IDA和引線向下捆住以繃緊。加上導(dǎo)電環(huán)氧樹脂并允許在烘箱中或在室溫下硬化。當(dāng)環(huán)氧樹脂硬化后，結(jié)果的連接通過測(cè)量跨過接頭的電阻來檢查，通過將導(dǎo)線上的引線和金襯墊放在中間的環(huán)氧樹脂區(qū)。高的(或無窮)讀數(shù)相應(yīng)于壞的(斷路)連接。
摻雜LiClO4的PEO以10∶1比值(重量)用作有機(jī)薄膜傳感材料。大約0.200克PEO粉末和0.020克LiClO4鹽放在預(yù)先稱重的10ml燒杯中。5ml的乙腈吸進(jìn)LiClO4的燒杯中。一個(gè)磁攪拌棒放在溶液中，燒杯放在一個(gè)磁攪拌盤上。固體攪拌5分鐘這時(shí)LiClO4完全溶解。這時(shí)PEO粉末加到鋰溶液中。添加后PEO燒杯稱重，另外4ml乙腈加到混合物中。一個(gè)干凈的#4綠制動(dòng)器放置在燒瓶頂部并允許混合物一整夜攪拌。制動(dòng)器密封該容器并阻止溶劑蒸發(fā)。結(jié)果是滴澆在IDA表面上的一種云狀凝膠，在使用橡膠泥將IDA安裝在一個(gè)鐵棒撒謊那個(gè)之前，薄膜允許一整夜干化。然后將傳感器引線焊接在一個(gè)同軸轉(zhuǎn)換柵欄上，用于粘著FRA的后部同軸插頭。
在測(cè)量過程中，阻抗(Z)和相移(θ)的基線測(cè)量通過從0.01-65kHz進(jìn)行一次對(duì)數(shù)掃描頻率，以確保正確的FRA操作和傳感器阻抗。對(duì)于厚度測(cè)量，壓電懸臂降低到薄膜表面上直到基線電阻觀察到1-3歐姆的跳動(dòng)。彎曲預(yù)加載在懸臂中以防止在薄膜收縮相失去與薄膜表面的接觸。
初始設(shè)置和檢查后，傳感器的阻抗和厚度單元已經(jīng)準(zhǔn)備好氣體暴露。在此時(shí)氣體線打開頭罩放在傳感器上。N2運(yùn)載氣體通過起泡器儀器流動(dòng)，它拾起待檢驗(yàn)的分析物氣體。待檢驗(yàn)的分析物包括蒸餾水，乙醇190試驗(yàn)(Aldrich，C2H4OH)，乙醇200試驗(yàn)(Aldrich)，丙酮(Aldrich，CH3COCH3)，以及n-辛烷(Lancaster，C8H18)。輸送的分析物氣體濃度從0-100％使用起泡器控制和指示器來調(diào)節(jié)。傳感器暴露在N2中15分鐘以在引入分析物蒸氣之前復(fù)位傳感器。典型的暴露循環(huán)時(shí)間包括30秒基線讀出，在添加分析物蒸氣直到薄膜飽和發(fā)生前進(jìn)行。然后再接著進(jìn)行干N2直到當(dāng)所有分析物離開聚合物時(shí)得到一個(gè)水平基線。由于聚合物暴露在蒸氣中厚度的變化通過懸臂得到的電阻響應(yīng)數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)。FRA測(cè)量阻抗變化，除非否則要注明，發(fā)生器設(shè)置在0.1伏和10Hz。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子表格并在圖形上和數(shù)學(xué)上相關(guān)聯(lián)。
實(shí)例1在第一典型實(shí)施例中，阻抗的測(cè)量使用一個(gè)IDA傳感器連接到一臺(tái)FRA，涂有一層薄膜有機(jī)聚合物傳感材料，如上面描述。測(cè)量或者存儲(chǔ)到FRA文件存儲(chǔ)器中或者使用GPIB/LabView連接計(jì)算機(jī)下載到計(jì)算機(jī)。然后測(cè)量阻抗變化和相移，作為暴露在由N2運(yùn)載到傳感器的100％水蒸氣的過程中時(shí)間的函數(shù)。檢驗(yàn)分成兩部分，當(dāng)薄膜膨脹時(shí)測(cè)量99個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以及松弛時(shí)測(cè)量99個(gè)點(diǎn)。第一部分中，傳感器從0-530秒暴露在100％水蒸氣中。頭帽從530-600秒拿掉。第二部分中，傳感器進(jìn)行完全飽和(如部分1)然后暴露于干N2從600-1200秒，在這個(gè)時(shí)間過程中測(cè)量阻抗和相移數(shù)據(jù)。
阻抗和相移測(cè)量結(jié)果分別示于圖13a和13b以及14a和14b。如圖所示，當(dāng)“a”圖和“b”圖相配合時(shí)顯示了電流流經(jīng)聚合物時(shí)阻抗和相移的對(duì)稱變化，意味著不僅根據(jù)本發(fā)明傳感器的阻抗敏感地響應(yīng)于水分析物的存在，而且傳感器能恢復(fù)這樣可以再使用。特別地，傳感器的阻抗在圖13a中開始于8.3×105歐姆，結(jié)束于圖13b。對(duì)兩部分阻抗低點(diǎn)都為約7.6×105歐姆。這給出了阻抗的總體變化0.7×105歐姆，薄膜阻抗變化百分比為(0.7/8.3)*100＝8.4％。相移數(shù)據(jù)顯示高的在14a為39°，在14b為38°，低的在14a和14b都為33.5°。這相應(yīng)于對(duì)14a的差為5.5°，對(duì)14b差為4.5°，以及對(duì)14a和14b變化百分比分別為(5.5/39)*100＝14％和(4.5/38)*100＝12％。
實(shí)例2盡管于此描述的，在傳感材料中使用阻抗變化已經(jīng)示出了一些分析物之間的差異，本混合傳感器設(shè)計(jì)成使用額外的以及同時(shí)地測(cè)量傳感材料厚度的變化，以增加傳感器的分辨功率，使它們對(duì)分析物濃度和類型更加敏感。
如前面描述的，當(dāng)暴露于有機(jī)蒸氣中時(shí)聚合物薄膜膨脹。數(shù)據(jù)顯示了厚度響應(yīng)對(duì)單個(gè)氣體和它們的濃度是特征性的并且唯一的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由于不同氣體和濃度，使用一個(gè)放置在接觸傳感材料一個(gè)表面的壓電懸臂測(cè)量膨脹量。一個(gè)典型的微懸臂照片示于圖15a。
在這樣一個(gè)實(shí)施例中，放置懸臂的臂接觸傳感材料薄膜的表面?？梢允褂萌魏芜m合的安裝懸臂的臂到傳感材料，例如，通過安裝懸臂的臂到掃描力顯微鏡(SFM)。SFM臺(tái)調(diào)整以及光學(xué)顯微鏡允許微小調(diào)整，而代替懸臂頂端調(diào)整到有機(jī)薄膜傳感材料的表面。這精確地將頂端放置在表面并避免了懸臂受到損壞。
如圖15b和15c所示，懸臂是一個(gè)有角度的刀刃，粘著在一個(gè)微電路上。當(dāng)懸臂的刀刃(示于圖15c中的特寫)接觸聚合物的表面時(shí)，它便彎曲。懸臂端點(diǎn)的材料含有一個(gè)永久的偶極矩，當(dāng)它的晶格結(jié)構(gòu)的平面受應(yīng)力時(shí)它會(huì)變化。在彎曲的應(yīng)力下的內(nèi)電場(chǎng)變化，產(chǎn)生了一個(gè)電信號(hào)。這種彎曲從一個(gè)默認(rèn)值改變了粘著刀刃的電路的電阻。
當(dāng)聚合物膨脹時(shí)，刀刃彎曲更厲害，增加了電阻的改變。電阻響應(yīng)持續(xù)變化，以每1埃膨脹1-4微歐的速率膨脹。通過平均1-4微歐范圍到2.5微歐可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)換常數(shù)。由此得出2.5微歐等于1埃，以及1歐響應(yīng)等于400埃(1Ω＝400A)的薄膜膨脹。該技術(shù)用于確定不同氣體對(duì)一選擇的聚合物厚度的效應(yīng)，包括PVA，PIB，以及聚(乙烯乙酸乙烯酯)(PEVA)。這三種不同材料暴露在5種不同蒸氣中。收集的數(shù)據(jù)顯示對(duì)暴露在每種聚合物的每種氣體，具有重大的不同以及唯一的厚度變化(作為電阻響應(yīng)測(cè)量的)。
構(gòu)造上面描述的典型傳感器，以在標(biāo)準(zhǔn)傳感條件下提供傳感材料種厚度變化的測(cè)量。在該實(shí)例中，一個(gè)傳感器構(gòu)建并放置在接觸一個(gè)鐵棒表面上，薄膜傳感材料包括濃度7∶1的PEO∶Li放置在頂部。該傳感器和棒放置在一臺(tái)SFM的磁安裝臺(tái)上，使用SFM的光學(xué)顯微鏡和校準(zhǔn)將一個(gè)傳感器的懸臂降低到每個(gè)有機(jī)薄膜表面上。
然后傳感器暴露在干N2氣體100秒，然后100％的水蒸氣起泡通到N2運(yùn)載氣體中從100-700秒，然后傳感器再次暴露到N2中從700-1100秒，最后傳感器暴露在大氣條件下從1100-1200秒。圖16中所示的圖形給出了懸臂中由于有機(jī)薄膜作為時(shí)間的函數(shù)膨脹產(chǎn)生的歐姆變化。薄膜膨脹的量可以使用懸臂在100-700秒范圍內(nèi)的響應(yīng)計(jì)算出。從100-700秒的高值和低值之間的差異為5.2歐姆。使用上面討論的近似轉(zhuǎn)換1歐姆＝400埃＝0.04微米，可以計(jì)算出總體厚度范圍微2100?；?.21微米。
圖17a示出了傳感器接觸7∶1薄膜傳感材料，當(dāng)經(jīng)歷了三個(gè)100％水蒸氣并用N2作運(yùn)載氣體的暴露循環(huán)時(shí)，傳感器厚度響應(yīng)的測(cè)量，圖17b示出了當(dāng)暴露在三個(gè)50％水蒸氣并用N2作運(yùn)載氣體的循環(huán)時(shí)的傳感器。像以前一樣鐵棒安裝在以及懸臂放置在SFM臺(tái)上。薄膜暴露在干N2下30秒，然后是水蒸氣濃度從30-600秒，以及再次干N2從600-1500秒。
對(duì)所有試驗(yàn)一般的趨勢(shì)互相一致，含有一個(gè)陡峭的初始膨脹相以及在靠近材料飽和點(diǎn)(在700秒)的一個(gè)平穩(wěn)相。當(dāng)暴露在N2下聚合物收縮回接近它的前膨脹水平。每個(gè)相繼試驗(yàn)開始于前面稍微之上的水平。但是對(duì)每個(gè)試驗(yàn)的總體差別保持一致，在總體差別中對(duì)每個(gè)相繼運(yùn)行僅有輕微的降低。對(duì)水蒸氣暴露的厚度響應(yīng)差別通過從前五個(gè)低值的平均值減去最后五個(gè)高值的平均值來計(jì)算。這降低了任何極端的數(shù)據(jù)的影響。
三次100％水蒸氣試驗(yàn)的厚度響應(yīng)為11.2，9.5和9.5歐姆。對(duì)于50∶50的試驗(yàn)三次響應(yīng)為5.7，5.5，4.8歐姆。這些差別通過400埃＝1歐姆的比例轉(zhuǎn)化成距離。100％和50％試驗(yàn)的薄膜膨脹的中間值分別是3800埃和2200埃。試驗(yàn)之前通過Dektak機(jī)器在一種低濕度環(huán)境中測(cè)量的整個(gè)薄膜的初始厚度為315000埃(31.5微米)。用原始厚度除膨脹變化并乘以100，計(jì)算出膨脹百分?jǐn)?shù)為1.2％(100％水蒸氣)和0.69％(50％水蒸氣)。數(shù)據(jù)計(jì)算總結(jié)在下面的表2中，中間值為黑體。
表2在100％和50％水蒸氣下的厚度變化

如圖所示，暴露在干氮?dú)猓?00％水蒸氣，以及正常大氣壓表明在PEO薄膜中產(chǎn)生顯著量的膨脹。這種效應(yīng)不是隨機(jī)地發(fā)生，但是一致于重復(fù)暴露在100％和50％水蒸氣中。當(dāng)暴露于100水蒸氣下厚度增加3800埃，這種效應(yīng)還是可測(cè)的。這是薄膜厚度有1.2％的增加。在50％水蒸氣下的結(jié)果是100％下結(jié)果的一般，顯示出薄膜敏感度是對(duì)應(yīng)分析物濃度。在循環(huán)分析物蒸氣和干N2下連續(xù)的試驗(yàn)過程中，觀察到每次循環(huán)的開始點(diǎn)稍微高于下一個(gè)并且對(duì)每個(gè)相繼的運(yùn)作差值降低。這是由于剩余分析物在薄膜中。更長(zhǎng)地暴露于干N2下將允許過量的分析物逃逸出薄膜以及得到更一致的開始點(diǎn)。
實(shí)例3然后使用一個(gè)典型壓電懸臂/萬用表和IDA傳感器/FRA設(shè)置與數(shù)字處理器連接，進(jìn)行同時(shí)測(cè)量PEO薄膜厚度和阻抗變化。然后當(dāng)傳感器暴露于分析物蒸氣中進(jìn)行試驗(yàn)同時(shí)測(cè)量厚度和阻抗變化，并量化厚度和阻抗之間的變化。第二進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)確定10Hz和178Hz頻率之間的最大電阻響應(yīng)，以及響應(yīng)和溶解度參數(shù)之間的關(guān)系。
第一研究使用典型傳感器，使用100％水蒸氣進(jìn)行，并提供阻抗和厚度數(shù)據(jù)可以同時(shí)收集和相關(guān)的證據(jù)。如所示，由FRA產(chǎn)生的信號(hào)是一個(gè)178Hz和0.1伏的正弦波。在實(shí)驗(yàn)過程中，降低懸臂并將頭帽放置在傳感器上，在進(jìn)行測(cè)量前使用干N2暴露15分鐘。暴露循環(huán)包括干N20-30秒，然后100％水蒸氣從30-570秒，最后570-600秒拿掉頭帽。
圖18a和18b示出了當(dāng)PEO聚合物薄膜暴露在水蒸氣下，表面發(fā)生的變化的SFM圖像。圖18a中的SFM圖像示出了當(dāng)暴露在干N2下，含有(10∶1)PEO∶Li比的一種PEO傳感材料樣品，圖18b示出了相同傳感材料暴露在50∶50(水蒸氣∶干氮?dú)?的混合下。在5微米水平的表面進(jìn)行地形和相襯掃描。5微米相位對(duì)比掃描如下面所示。眾所周知，圖18b掃描中的聚合物線束比初始掃描中的更明顯。
聯(lián)系成像實(shí)驗(yàn)和厚度與阻抗測(cè)量，可以看出金屬離子摻雜水平和分析物暴露氣體改變聚合物束的結(jié)構(gòu)，使得它們膨脹及變得更加導(dǎo)電。
另外，各種濃度的PEO薄膜成像產(chǎn)生的結(jié)果顯示出未摻雜，摻有高氯酸鋰，以及重?fù)诫s薄膜之間的結(jié)構(gòu)差異。摻雜的目的是增加薄膜的導(dǎo)電性。在表面上進(jìn)行相襯成像掃描以顯示薄膜中材料類型之間的差異。在PEO薄膜中暗區(qū)支配著圖像掃描，僅存在有較亮材料的薄分支束。在摻雜薄膜中，亮顏色區(qū)凸出并變得更厚(21.4∶1)，在高摻雜圖像中(7∶1)那些線束變成幾乎分離的束。在3∶1和1∶1掃描的油性表面上不能進(jìn)行掃描。摻雜水平改變了薄膜中的結(jié)構(gòu)變成更短和更圓的束，隨著鋰濃度的增加。
在掃描暴露在水蒸氣濃度下，如圖18a和18b所示，觀察到了同樣的效果凸出影響長(zhǎng)線束。干薄膜含有明顯的淺顏色材料線束，暴露在水蒸氣線束凸出，與增加摻雜水平所示的具有同樣的方式。在同時(shí)厚度和阻抗測(cè)量中，阻抗在暴露到分析物中下降，而聚合物膨脹并變得更厚。這導(dǎo)致了以導(dǎo)電鹽摻雜一種聚合物或者暴露在一種分析物蒸氣中，在聚合物薄膜中形成了顯著的束結(jié)構(gòu)，這增加了薄膜的厚度和導(dǎo)電性。
定量研究結(jié)果示于圖19。在相同圖中值的標(biāo)定適合所有趨勢(shì)線。通過對(duì)最后5個(gè)30-570循環(huán)的平均值，并從0-30秒內(nèi)的前5個(gè)值的平均值減去它們，計(jì)算出總體厚度的變化。計(jì)算的值為10.6歐姆，轉(zhuǎn)化成厚度為4300埃。從0-30秒的高值和550-570秒的低值之間的差異計(jì)算出阻抗變化。差值為1.2×105歐姆或者121200歐姆。相位角也從42.45°的高值劇烈變化到的29.4°低值，差值為13.05°。
該數(shù)據(jù)系列的試驗(yàn)5選擇為數(shù)學(xué)模擬以量化每埃厚度變化的阻抗變化。圖20中提供的圖示出了厚度，阻抗，以及相移以高低數(shù)據(jù)的總體差異作為時(shí)間的函數(shù)。圖21中的圖以線性和立方數(shù)學(xué)最佳適配相關(guān)聯(lián)于阻抗(105歐姆)和厚度(歐姆)。由于極低的值約3度以及變化0.77度忽略了相移。該圖是對(duì)稱的，一個(gè)線性區(qū)在數(shù)據(jù)中間。最后一個(gè)圖模擬了阻抗變化(歐姆)對(duì)厚度(埃)，以線性最佳匹配線Z＝190(歐姆/埃)×T-36000(歐姆)斜率將膨脹的每個(gè)埃關(guān)聯(lián)到一個(gè)阻抗變化(在負(fù)方向)190歐姆。y-截距值為36000歐姆并聯(lián)系聚合物某種類型的裝載相位，其中在最初氣體暴露下，厚度隨著阻抗剩余常數(shù)(或者實(shí)際的增加是在178Hz的情況下)而改變。相關(guān)系數(shù)R2＝0.945可以通過限制最佳匹配來對(duì)準(zhǔn)該圖的線性區(qū)。
第二研究包括一種傳感薄膜聚合物(7∶1 PEO∶Li)傳感材料暴露在100％水蒸氣下的厚度和阻抗測(cè)量。使用一個(gè)178Hz的信號(hào)頻率完成兩次試驗(yàn)，使用10Hz頻率完成三次試驗(yàn)。在每個(gè)試驗(yàn)中傳感器暴露在100％水蒸氣下從0-600秒。然后傳感器暴露在干N2下從600-1500秒。試驗(yàn)三的例外是允許100％水蒸氣運(yùn)行直到1200秒。由于FRA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的約束，在第一個(gè)600秒過程中測(cè)量阻抗和相移數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)2的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行但是為了給出方便分開進(jìn)行。厚度變化數(shù)據(jù)示于圖22a。178Hz和10Hz之間的趨勢(shì)非常一致。阻抗變化數(shù)據(jù)示于22b。10Hz數(shù)據(jù)開始于較高的值約12*105歐姆，在30-60秒的相位處是平坦的。178Hz數(shù)據(jù)開始于較低的約8.5*105歐姆，在初始的30-60秒相位下阻抗增加。相移數(shù)據(jù)如圖22c所示。178Hz數(shù)據(jù)開始于較高的約40度且變化顯著。10Hz數(shù)據(jù)開始于較低的～3度且只顯示了數(shù)值的較小變化。
178Hz下得到的數(shù)據(jù)值顯示了厚度的不同，高低均值為2.9和3.5，平均為3.2歐姆或1300埃。從開始的和最后的30秒內(nèi)，變化為1.392和1.131*105歐姆，平均值為1.262*105或126600歐姆的高低數(shù)值中，計(jì)算出阻抗變化。從開始和最后30秒的數(shù)據(jù)減去高低數(shù)值，計(jì)算出相移的不同。這返回了11.71和8.80度的數(shù)值，均值為10.26度。
10Hz下得到的數(shù)據(jù)值與178Hz的計(jì)算相似，給出厚度變化為4.0，4.3和4.2歐姆，中間值為4.2歐姆或1700埃。阻抗數(shù)據(jù)顯示了2.535，2.812和2.490*105歐姆的差異，中間值為2.535*105或253500歐姆。相移的不同為1.48和0.77度，均值為1.13度。
如上所示，178Hz和10Hz情形下測(cè)量的阻抗有很大不同，10Hz下的信號(hào)返回了一個(gè)更強(qiáng)烈的響應(yīng)。然而，厚度值的不同，只是稍微有些不同，需要進(jìn)一步分析。相移數(shù)據(jù)表明了178Hz下角度產(chǎn)生了預(yù)期的高變化，而10Hz下沒有實(shí)際上的變化。下面的表3總結(jié)了頻率變化下的不同數(shù)據(jù)。

第三研究包括在一個(gè)有傳感材料(10∶1 PEO∶Li)的傳感器暴露于分析物蒸氣水中，測(cè)量厚度和阻抗變化。試驗(yàn)是在分析物干氮?dú)鉃?00∶0比率的每種蒸氣下進(jìn)行的。對(duì)于水的試驗(yàn)，第0-30秒干氮?dú)獗┞队趥鞲衅飨拢?00∶0的混合物30-530秒，再次干氮?dú)?30-4200秒。對(duì)于乙醇試驗(yàn)，第0-30秒干氮?dú)獗┞队趥鞲衅飨?，乙醇蒸?00％的混合物30-360秒，再次干氮?dú)庾詈蟮?60-2500秒。最后，丙酮實(shí)驗(yàn)暴露循環(huán)為干氮?dú)獾?-30秒，100％的丙酮蒸氣30-420秒，干氮?dú)?40-900秒。循環(huán)在時(shí)間上是不同的，依賴于分析物蒸氣被吸收進(jìn)PEO薄膜有多快和它激發(fā)材料有多快。
暴露于100％水、乙醇(190和200標(biāo)準(zhǔn))、丙酮和n-辛烷蒸氣下三次試驗(yàn)結(jié)果在圖23到26中出示出，在表四和圖27中總結(jié)。三次試驗(yàn)是在每種分析物濃度為100％下完成的。對(duì)于每種分析物的每次試驗(yàn)，從0-30秒干氮?dú)獗淮颠M(jìn)頭罩來確定基線厚度和阻抗讀數(shù)。然后傳感器暴露于100％的分析物蒸氣下，直到厚度和阻抗讀數(shù)穩(wěn)定，在這點(diǎn)上，認(rèn)為聚合物完全飽和。最后一個(gè)階段又是干氮?dú)馔ㄟ^傳感器，直到讀數(shù)回到基線。三次試驗(yàn)是在100％水蒸氣、乙醇(190和200標(biāo)準(zhǔn))、丙酮和n-辛烷下完成的。每種分析物的中間試驗(yàn)是在它的膨脹相用于薄膜膨脹每一埃的變化和阻抗變化之間的關(guān)系進(jìn)行了圖表上和數(shù)學(xué)上的模擬。

在檢驗(yàn)的分析物中，所有試驗(yàn)都顯示了厚度增加(膨脹)，阻抗下降(增強(qiáng)的導(dǎo)電性)，和相移增加(除了n-辛烷的試驗(yàn)3)。利用開始五個(gè)預(yù)暴露的基線點(diǎn)(取得不同值可以產(chǎn)生正值)的均值減去分析物暴露下收集的最后五個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均值，計(jì)算出厚度、阻抗和相移差異。每種分析物的三次試驗(yàn)中每一次的中間值確定是可接受的值。每種分析物的數(shù)據(jù)和溶解度參數(shù)、飽和蒸氣壓強(qiáng)在上面的表四已列出。每種有機(jī)分析物的三個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)被標(biāo)出，包括響應(yīng)(ΔT，ΔZ和Δ飽和的時(shí)間)、恢復(fù)時(shí)間(回到基線狀態(tài)的時(shí)間)和在檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)的任何問題。
在檢驗(yàn)的分析物中，水(圖23)有最大厚度(12.8Ω，5100)和阻抗(399000Ω)響應(yīng)，但是到達(dá)飽和(30-540秒)時(shí)間最長(zhǎng)。它還有最長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間約4200秒或70分鐘。水在溶解度參數(shù)(48Mpa1/2)離PEO最遠(yuǎn)，有最低的飽和蒸氣壓強(qiáng)(21torr)。
190標(biāo)準(zhǔn)乙醇(圖24)具有第二大厚度(9.4Ω，3800)和阻抗(219000Ω)響應(yīng)，達(dá)到飽和的時(shí)間較長(zhǎng)(30-420秒)?；謴?fù)時(shí)間有約1500秒之長(zhǎng)。190標(biāo)準(zhǔn)乙醇含有大量水，導(dǎo)致了比純乙醇返回的數(shù)值大。因?yàn)闃颖局兴臐舛炔恢?，給出的溶解度參數(shù)和飽和蒸氣壓強(qiáng)是一個(gè)范圍(表4)，從純乙醇到水。200標(biāo)準(zhǔn)乙醇比190標(biāo)準(zhǔn)乙醇含水少，比對(duì)應(yīng)物(190標(biāo)準(zhǔn))顯示了較小的厚度(4.3Ω，1700)和阻抗(79100Ω)響應(yīng)。達(dá)到飽和的時(shí)間較短，30-330秒?；謴?fù)時(shí)間與丙酮相當(dāng)約1000秒。由于較少的含水量，200標(biāo)準(zhǔn)乙醇比190標(biāo)準(zhǔn)乙醇厚度和阻抗變化小，恢復(fù)時(shí)間更快。
丙酮(圖25)具有最小的厚度(3.8Ω，1500)和阻抗(64300Ω)變化，達(dá)到飽和的時(shí)間最快(30-240秒)?；謴?fù)時(shí)間也是最短的，約1000秒。丙酮也具有最高的飽和蒸氣壓強(qiáng)212torr。
對(duì)于n-辛烷(圖26)，厚度測(cè)量為16.8Ω到0.4Ω(6700到200)，中間值為5.2Ω(2100)。阻抗變化從約100000Ω降低到800Ω增加，以中間值73900Ω降低。所有響應(yīng)慢慢達(dá)到飽和(30-530秒)?；謴?fù)時(shí)間范圍從不再恢復(fù)到約3000秒(50分鐘)。試驗(yàn)以大范圍的數(shù)值從試驗(yàn)1降到試驗(yàn)3。
最后，每種分析物傳感材料的膨脹相的模擬，如圖27所示。方程在上部給出，水具有最大的阻抗，每埃的變化為78Ω/。N-辛烷和丙酮最低，分別為34Ω/和33Ω/。方程利用y＝ΔZ和x＝ΔT，所有的相關(guān)系數(shù)從0.9到1.00。
水ΔZ＝78(Ω/)ΔT+16000Ω190標(biāo)準(zhǔn)乙醇ΔZ＝58(Ω/)ΔT+4800200標(biāo)準(zhǔn)乙醇ΔZ＝47(Ω/)ΔT+3100丙酮ΔZ＝33(Ω/)ΔT+4700N-辛烷ΔZ＝34(Ω/)ΔT-1200在圖中，斜率是聚合物薄膜傳感材料中每膨脹一埃的阻抗變化率(歐姆)。Y截距可以指由于聚合物預(yù)膨脹變化而產(chǎn)生的某種負(fù)載位相。這些問題顯示了直到傳感材料達(dá)到飽和時(shí)，分析物暴露后聚合物膨脹相過程中薄膜傳感材料的行為。正如所指出的，傳感材料對(duì)于每種分析物響應(yīng)不同，提供了一個(gè)復(fù)合的厚度/阻抗“指紋”，從而允許在樣本中鑒別未知分析物的性能。
特別地，模擬方程對(duì)每種分析物示出了特征斜率。斜率指每膨脹一埃的阻抗變化。水具有最大斜率為78Ω/，丙酮和n-辛烷合起來最低，分別為33Ω/和35Ω/。達(dá)到飽和的時(shí)間作為額外參數(shù)，丙酮和n-辛烷可以容易的區(qū)分，因?yàn)橄鄬?duì)于n-辛烷的長(zhǎng)飽和時(shí)間(500秒)，丙酮的飽和時(shí)間短(190秒)。這些關(guān)系對(duì)預(yù)測(cè)和鑒別氣體很有用。模擬方程給出了對(duì)于特殊氣體和濃度的薄膜PEO響應(yīng)之間的關(guān)系。
隨著溶解度參數(shù)接近于PEO的值24.2Mpa1/2以及飽和蒸氣壓強(qiáng)的增大，分析物暴露的飽和時(shí)間減少。丙酮(20.5Mpa1/2，和212torr)和200標(biāo)準(zhǔn)乙醇(26Mpa1/2和52torr)達(dá)到飽和的時(shí)間最快，水(48Mpa1/2，溶解度參數(shù)離PEO最遠(yuǎn)；21torr最低飽和蒸氣壓強(qiáng))最慢使聚合物達(dá)到飽和。在圖28a和28b中，對(duì)于溶解度參數(shù)，厚度變化和阻抗變化在圖上是相關(guān)的，顯示了相同的一般響應(yīng)曲線。根據(jù)本發(fā)明，在示例性試驗(yàn)進(jìn)行中的PEO值可能不同于標(biāo)準(zhǔn)值24.2，因?yàn)檫@些試驗(yàn)中的PEO摻雜了Li+。
實(shí)例4盡管上述結(jié)果證明根據(jù)本發(fā)明的混合傳感器能夠準(zhǔn)確地和唯一地鑒別不同分析物，本發(fā)明的傳感器也能夠量化一個(gè)樣本中一種特殊分析物的濃度。相應(yīng)地，進(jìn)行研究來量化混合傳感器的靈敏度和蒸氣濃度。在暴露于在運(yùn)載氣體氮?dú)庵袧舛葹?0％、75％、50％和25％分析物蒸氣中的一個(gè)典型傳感器中，測(cè)量厚度和阻抗變化。利用四種分析物水、乙醇、丙酮和n-辛烷，測(cè)量分析物濃度。利用干氮?dú)猓€厚度和阻抗水平達(dá)到后，輸送不同濃度直到傳感器薄膜達(dá)到飽和。干氮?dú)獗辉俅问褂弥钡胶穸然€讀數(shù)匹配為止。
試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，在表5中總結(jié)。計(jì)算出每種濃度下，100％蒸氣水平的ΔT和ΔZ的百分?jǐn)?shù)變化。圖29a中，得到了厚度變化對(duì)P/Psat(相對(duì)于在100％飽和下的濃度的分析物百分比濃度)的圖表和數(shù)學(xué)模擬。圖29b中，對(duì)于丙酮進(jìn)行附加模擬，確定從100％-25％每個(gè)濃度下膨脹一埃的阻抗變化率。
表1

如表1所示，與滑石相比，具有3R2堆垛的粘土具有明顯提高的吸附能力。
實(shí)施例2在該實(shí)施例中，具有3R1堆垛的Al-Mg陽離子粘土(CC-8，SüdChemie)與具有3R2堆垛的Al-Mg陽離子粘土(CC-17，Akzo NobelCatalyst B.V.)比較樹脂吸附特征。
制備兩個(gè)合成樹脂混合物，一個(gè)含有實(shí)施例1的油酸和松香(樹脂1)，另一個(gè)含有松香酸的合成樹脂混合物。含有松香酸的樹脂(樹脂2)通過混合1g松香酸和1M氫氧化鉀直至發(fā)生皂化來制備。加入變性乙醇<p>在不同的濃度數(shù)據(jù)中，顯示了一個(gè)明確的趨勢(shì)。對(duì)于所有四種分析物，隨著蒸氣百分比濃度的降低，厚度響應(yīng)的峰值高度差異也降低。在圖29a中，這種厚度變化和百分比濃度的關(guān)系以相關(guān)系數(shù)接近于1.00的最優(yōu)線性匹配示出，并且表明本發(fā)明的傳感器能夠提供關(guān)于樣本中一種特定分析物濃度的數(shù)量信息。N-辛烷是唯一的例外，其線性匹配有一個(gè)弱的相關(guān)系數(shù)0.6351，將與指數(shù)曲線達(dá)到最佳匹配。如上所示，在水(如在乙醇和丙酮中)中，隨著分析物蒸氣百分比濃度的降低(1005，75％，50％到25％)，厚度百分比變化也降低(100％，83％，64％到33％)。阻抗不遵從這種線性趨勢(shì)(100％，60％，17％到3％)。N-辛烷又一次成為例外，因?yàn)槠浜穸然蜃杩棺兓疾蛔駨?5％階的線性降低。這次研究的結(jié)果在表5中總結(jié)。
圖29b模擬了不同濃度下薄膜傳感材料的響應(yīng)。每種濃度有一個(gè)不同的最優(yōu)線性匹配，每次試驗(yàn)的斜率是不同的。這表明每一埃的阻抗變化不僅隨分析物蒸氣變化，而且也隨該蒸氣濃度而變化。在100％濃度下斜率為40Ω/，75％濃度為22Ω/，50％濃度為16Ω/，25％濃度為6.7Ω/。完全飽和的百分?jǐn)?shù)分別為100％，55％，40％和17％。這不符合線性降低趨勢(shì)。但是，如果我們采用丙酮的中間試驗(yàn)方程(在早先100％濃度的試驗(yàn)中ΔZ＝33ΔT+4700)，斜率值為33Ω/，百分?jǐn)?shù)計(jì)算變化來適合線性降低趨勢(shì)100％，67％，49％和20％。模擬方程在下面的表6中總結(jié)，在此y＝ΔZ和x＝ΔT。

圖30的最后模擬示出了四種分析物的最佳匹配線。斜率單位是[(Ω/)/％濃度]，且鑒別出了存在的分析物蒸氣。沿直線的距離表明了存在的蒸氣濃度從0％到100％。
如上所示，傳感器對(duì)分析物蒸氣的百分比濃度顯示出了靈敏性。厚度對(duì)時(shí)間圖顯示了隨著百分比分析物的降低，厚度變化也有明確的降低。隨著蒸氣濃度的降低，厚度變化也降低。ΔT對(duì)P/Psat表明了所試驗(yàn)的四種分析物中的三種，其厚度變化和增加的分析物蒸氣濃度之間的線性遞增關(guān)系。隨著分析物濃度的增加，厚度響應(yīng)也增加。
N-辛烷是一個(gè)例外，0.6351的低相關(guān)系數(shù)表明了一種不好的最優(yōu)線性匹配。從100％到25％濃度下進(jìn)行的試驗(yàn)表明了厚度變化中一個(gè)更好的指數(shù)匹配。這種線性偏移可能是因?yàn)閚-辛烷(CH3(CH6)CH3)和分子上相似的PEO(-CH2CH2O-)相互作用造成的。聚合物矩陣中某種類型的導(dǎo)電區(qū)域的粘合和填充可能會(huì)造成薄膜膨脹缺乏恢復(fù)，減小的響應(yīng)和小的阻抗變化。
基于丙酮的模擬表明膨脹每埃的阻抗變化的降低不僅僅取決于分析物類型(如前所示)，而且也取決于當(dāng)前濃度。例如100％丙酮蒸氣的模擬方程斜率為33Ω/，且被用作飽和參考。在75％濃度下，參考斜率(22Ω/)為67％，在50％蒸氣參考斜率(16Ω/)為49％，在25％蒸氣參考斜率(6.7Ω/)為20％(直接關(guān)系)。隨著蒸氣百分比濃度降低，ΔZ/ΔT以相等的數(shù)量變化。
數(shù)學(xué)模擬提供了一套最佳匹配圖，能用來鑒別蒸氣的類型和濃度。斜率鑒別出四種不同蒸氣中哪一種存在。沿著線的距離鑒別存在氣體的濃度。因此，本申請(qǐng)者已經(jīng)示出通過讀出厚度和阻抗變化在兩種不同的未知濃度，分析物氣體的類型和濃度就可以通過一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的混合傳感器確定。
使用這些典型關(guān)系，本發(fā)明的混合傳感器可以用于不但是鑒別，而且可以量化一個(gè)樣品中的未知分析物。應(yīng)該理解盡管在上面的實(shí)例中描繪了示例性傳感器，分析物，和關(guān)系，這些僅僅作為本傳感器功效的證據(jù)而提供，以及可以對(duì)任何傳感器確定和計(jì)算同樣類型的關(guān)系，該傳感器的結(jié)合適合同時(shí)測(cè)量一種傳感材料中阻抗和厚度的變化，作為一種特定分析物存在的響應(yīng)。
盡管前面僅僅討論了傳統(tǒng)聚合物，也可以使用其它聚合物。例如，在加熱聚合物時(shí)薄膜改變到液體凝膠狀態(tài)并不會(huì)返回固態(tài)。對(duì)阻抗進(jìn)行測(cè)量并示于圖31a-31c，在無定形材料中示出了對(duì)分析物蒸氣增加的敏感性。這以在100％水蒸氣下阻抗較大地降低而示出。
盡管在上面討論的實(shí)例中僅僅使用了單探測(cè)器，對(duì)于增大的分辨能力(不同氣體之間區(qū)別的能力)，還可以使用一個(gè)多聚合物陣列探測(cè)器。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，多有機(jī)物傳感器，每一個(gè)或多或少對(duì)某些類分析物蒸氣敏感，可以連接到一起。每個(gè)單個(gè)傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)和剩下的相關(guān)，提供了一個(gè)更大和更多樣化的數(shù)據(jù)系列。當(dāng)該數(shù)據(jù)系列比較于以前的已知?dú)怏w的測(cè)量數(shù)據(jù)，就可以確定檢驗(yàn)的氣體的身份和濃度。
可以構(gòu)建一個(gè)聚合物探測(cè)器陣列，分析數(shù)據(jù)并繪制在一個(gè)3-D主要支空間，對(duì)每個(gè)單一氣體形成其特征群集區(qū)。這些分立的群集不僅象以前一樣地顯示了化學(xué)特性，而且沿著群集長(zhǎng)度的一個(gè)點(diǎn)顯示了該氣體的濃度。這些長(zhǎng)的群集可以作為每一種氣體的一個(gè)有效“指紋”。對(duì)未知?dú)怏w獲得的指紋數(shù)據(jù)可以比較于已經(jīng)存儲(chǔ)的氣體指紋，以尋求特性和濃度的匹配。傳感器數(shù)目的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)分辨能力的提高。在另一個(gè)典型實(shí)施例中使用了混合傳感器陣列，傳感材料的襯底可以涂敷上一種持續(xù)傳感材料的單一層，并且為了提供多讀數(shù)和更精確地確定分析物或被探測(cè)的分析物，可以放置多個(gè)傳感器與傳感材料接觸。
本發(fā)明者已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)混合傳感器，可以準(zhǔn)確和一致地鑒別不同有機(jī)分析物變化的濃度。這可以通過同時(shí)測(cè)量和比較傳感材料薄膜的厚度變化及阻抗變化而獲得。該傳感器對(duì)不同溶解度參數(shù)的分析物敏感。使用關(guān)聯(lián)在一起的厚度和阻抗變化已經(jīng)導(dǎo)致了分析物區(qū)分水平的提高。使用數(shù)學(xué)模型并已知在兩種不同分析物蒸氣濃度下的厚度和阻抗響應(yīng)，該有機(jī)分析物蒸氣的特性和當(dāng)前濃度可以同時(shí)鑒別出來。
在該點(diǎn)應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明并不局限于上面所示及所描述的典型實(shí)施例。相反地，本發(fā)明目的是為了涵蓋包括使用一個(gè)混和傳感器的方法和儀器，在存在一種特定氣體分析物或選擇為待探測(cè)分析物的情況下，來測(cè)量一種傳感材料的阻抗和厚度變化。
前述僅僅表明了本發(fā)明的原理。將會(huì)評(píng)價(jià)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)各種安排，盡管沒有在此明確描述或示出，卻體現(xiàn)了本發(fā)明的原理并包括在它的精神和范圍之內(nèi)。進(jìn)一步，所有的實(shí)例和在此列舉的條件語言主要是清楚地表明僅僅用于教學(xué)的目的，并幫助讀者理解本發(fā)明的原理和概念，由發(fā)明者貢獻(xiàn)以深化本領(lǐng)域，并被解釋為不局限于這些特殊列舉的實(shí)例和條件。而且，在此列舉本發(fā)明的原理、方面和實(shí)施例及其特殊實(shí)例的所有陳述，是為了包含它的結(jié)構(gòu)和功能等價(jià)物。另外，這種等價(jià)物包括當(dāng)前已知的等價(jià)物和將來要發(fā)展的等價(jià)物，即，任何發(fā)展的具有同樣功能的元件而不管其結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的范圍不局限于在此所示和描述的典型實(shí)施例。相反本發(fā)明的范圍和精神由附加權(quán)利要求書所體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.用于探測(cè)至少一種分析物的混合傳感器，包括一種傳感材料，對(duì)至少一種分析物的存在至少具有體積和阻抗響應(yīng)；至少一個(gè)探測(cè)器，電學(xué)上和物理上與所述傳感材料接觸，以測(cè)量該傳感材料的體積和阻抗響應(yīng)；以及一個(gè)分析儀，用于關(guān)聯(lián)所述體積和阻抗響應(yīng)來至少確定至少一種分析物的身份。
2.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述分析儀也可以確定至少一種分析物的濃度。
3.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述探測(cè)器包括一個(gè)信號(hào)分析儀以便于測(cè)量所述傳感材料的阻抗。
4.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述探測(cè)器包括一個(gè)頻率分析儀，用于測(cè)量所述傳感材料的阻抗。
5.如權(quán)利要求4的混合傳感器，其中所述頻率分析儀通過給傳感材料施加交流電來探測(cè)阻抗。
6.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述探測(cè)器包括一個(gè)含有一個(gè)偏轉(zhuǎn)臂的微懸臂傳感器，偏轉(zhuǎn)臂響應(yīng)傳感材料厚度變化而偏轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中偏轉(zhuǎn)臂包括至少一個(gè)可測(cè)物理屬性，當(dāng)所述的臂偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生變化，以及在所述至少一個(gè)可測(cè)物理屬性中，所述探測(cè)器進(jìn)一步適合測(cè)量其變化。
8.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中所述探測(cè)器包括一個(gè)轉(zhuǎn)換器，適合于將所述偏轉(zhuǎn)臂的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可測(cè)的電信號(hào)。
9.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中所述偏轉(zhuǎn)臂包括形成于其中和其上的壓阻部件，以及所述探測(cè)器包括一個(gè)電路，適合測(cè)量所述壓阻部件由于所述偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的電阻變化。
10.如權(quán)利要求9的混合傳感器，其中所述壓阻部件包括鈦酸鋇。
11.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料淀積在一個(gè)另外的襯底上。
12.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中所述傳感材料形成在一個(gè)表面上，所述偏轉(zhuǎn)臂物理上接觸所述傳感材料，并在靜止位置時(shí)基本上平行于所述表面。
13.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括由聚合物形成的一種化學(xué)傳感器，在暴露所述至少一種分析物中經(jīng)受了阻抗和體積改變。
14.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括一種生物傳感器，由層狀生物分子或者包括生物分子的復(fù)合物材料之一形成，該生物傳感材料適合吸收所述至少一種分析物，并作為所述吸附的結(jié)果體積上和電學(xué)上發(fā)生改變。
15.如權(quán)利要求14的混合傳感器，其中所述生物傳感器包括抗體。
16.如權(quán)利要求14的混合傳感器，其中所述生物傳感器包括放置在一個(gè)襯底上的一種功能性DNA線束。
17.如權(quán)利要求16的混合傳感器，其中所述至少一種分析物包括雙線束DNA的互補(bǔ)DNA。
18.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括至少一個(gè)聚合物矩陣材料，選自聚乙酸乙烯酯(PVA)，聚異丁烯(PIB)，聚乙烯乙酸乙烯酯(PEVA)，聚(4-乙烯基苯酚)，聚(苯乙烯共烯丙醇)，聚(甲基苯乙烯)，聚(N-乙烯吡咯烷酮)，聚(苯乙烯)，聚(砜)，聚(甲基丙烯酸甲酯)，以及聚(環(huán)氧乙烷)。
19.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括至少一個(gè)分析物敏感摻雜劑，選自乙酸鎳，Pd，Pt，和高氯酸鋰。
20.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括形成在一個(gè)表面上的一種分立淀積物材料。
21.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中所述偏轉(zhuǎn)臂包括氮化硅作為它的一個(gè)元件。
22.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述至少一個(gè)分析物包括在一種氣體介質(zhì)和一種液體介質(zhì)中之一。
23.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中所述偏轉(zhuǎn)臂包括厚度范圍為10微米到50微米，寬度范圍為25微米到75微米，長(zhǎng)度范圍從100微米到200微米。
24.如權(quán)利要求6的混合傳感器，其中所述探測(cè)器適合于測(cè)量所述偏轉(zhuǎn)臂的偏轉(zhuǎn)程度。
25.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述探測(cè)器測(cè)量在頻率0.01Hz-65kHz之間的傳感材料的阻抗。
26.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述探測(cè)器測(cè)量在頻率10Hz-178Hz之間的傳感材料的阻抗。
27.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述探測(cè)器測(cè)量在電壓0.01-0.1伏之間的傳感材料的阻抗。
28.如權(quán)利要求1的混合傳感器，其中所述分析物是一種可揮發(fā)有機(jī)材料。
29.用于探測(cè)分析物的一種混和傳感器陣列，包括在一個(gè)表面上形成的多個(gè)分立傳感材料，每個(gè)傳感材料在存在至少一種分析物下經(jīng)受阻抗和體積的改變；相應(yīng)的多個(gè)探測(cè)器，每個(gè)單個(gè)探測(cè)器電學(xué)上和物理上與至少一個(gè)所述分立傳感材料接觸，以測(cè)量該至少一個(gè)分立傳感材料的體積和阻抗響應(yīng)；以及一個(gè)分析儀，用于關(guān)聯(lián)所述體積和阻抗響應(yīng)來至少確定至少一種分析物的身份。
30.如權(quán)利要求29的混合傳感器陣列，其中每個(gè)傳感材料與其它傳感材料不同。
31.如權(quán)利要求29的混合傳感器陣列，其中所述分析儀進(jìn)一步確定每個(gè)分析物的濃度。
32.如權(quán)利要求29的混合傳感器陣列，其中每個(gè)傳感材料響應(yīng)不同分析物的存在而經(jīng)歷體積變化。
33.如權(quán)利要求29的混合傳感器陣列，其中每個(gè)探測(cè)器包括一個(gè)含有偏轉(zhuǎn)臂的微懸臂傳感器，偏轉(zhuǎn)臂與傳感材料物理上接觸。
34.如權(quán)利要求33的混合傳感器陣列，其中每個(gè)微懸臂包括接觸所述偏轉(zhuǎn)臂的一個(gè)壓阻元件。
35.如權(quán)利要求34的混合傳感器陣列，其中由于在所述相應(yīng)的傳感材料中體積變化，作為偏轉(zhuǎn)臂偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，每個(gè)所述壓阻元件經(jīng)受電阻的變化，每個(gè)探測(cè)器進(jìn)一步包括一個(gè)測(cè)量壓阻元件電阻的電路。
36.如權(quán)利要求33的混合傳感器陣列，其中每個(gè)所述偏轉(zhuǎn)臂包括至少一個(gè)可測(cè)物理屬性，當(dāng)所述的臂偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生變化，以及在每個(gè)偏轉(zhuǎn)臂的所述至少一個(gè)可測(cè)物理屬性中，所述探測(cè)器適合測(cè)量其變化。
37.如權(quán)利要求29的混合傳感器陣列，其中每個(gè)所述偏轉(zhuǎn)臂對(duì)不同的分析物進(jìn)行不同的測(cè)量響應(yīng)。
38.一種探測(cè)介質(zhì)中分析物的方法，包括形成一種傳感材料，在存在所述分析物下至少經(jīng)受阻抗和體積的響應(yīng)；提供至少一個(gè)探測(cè)器，在電學(xué)上和物理上接觸所述傳感材料，來測(cè)量該傳感材料的體積和阻抗響應(yīng)；引入一種介質(zhì)，包括所述分析物到所述傳感材料中，所述介質(zhì)是液體和蒸氣中的一種；用所述至少一個(gè)探測(cè)器測(cè)量所述體積和阻抗響應(yīng)；以及分析所述體積和阻抗響應(yīng)，來至少確定至少一種分析物的身份。
39.如權(quán)利要求38的方法，其中所述探測(cè)器包括一個(gè)可偏轉(zhuǎn)的微懸臂的臂，物理上接觸所述傳感材料，該可偏轉(zhuǎn)的微懸臂的臂至少含有一個(gè)可測(cè)物理屬性，當(dāng)微懸臂的臂偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生變化；以及其中所述測(cè)量所述體積響應(yīng)包括測(cè)量所述至少一種可測(cè)物理屬性的變化。
40.如權(quán)利要求39的方法，其中所述微懸臂的臂包括在其中和其上的一個(gè)壓阻部件，以及所述測(cè)量包括測(cè)量所述壓阻部件由于所述一種偏轉(zhuǎn)而發(fā)生的阻抗變化。
41.如權(quán)利要求39的方法，其中所述微懸臂的臂包括兩個(gè)耦合到所述壓阻部件的導(dǎo)電引線，所述測(cè)量包括測(cè)量?jī)蓚€(gè)導(dǎo)電引線之間的電阻。
42.如權(quán)利要求38的方法，其中所述測(cè)量包括測(cè)量所述傳感材料的電阻，來確定所述引入步驟之前和之后的每個(gè)傳感材料的阻抗變化。
43.如權(quán)利要求38的方法，其中所述探測(cè)器包括一個(gè)信號(hào)分析儀，以信號(hào)聯(lián)系所述傳感材料以測(cè)量所述傳感材料的阻抗。
44.如權(quán)利要求38的方法，其中所述分析包括確定分析物的濃度。
全文摘要
用于感測(cè)在氣體或液體介質(zhì)中化學(xué)和/或生物分析物的一種裝置(10)和方法，通過在提供分析物的情況下，監(jiān)測(cè)傳感元件(12)的阻抗和厚度變化。提供了探測(cè)方法以測(cè)量傳感材料物理屬性的變化，來確定分析物的存在和/或數(shù)量。還提供了混合傳感器陣列，用于探測(cè)可能包括在介質(zhì)中的一種特定分析物。
文檔編號(hào)G01N29/02GK1714291SQ03817310
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者蒂莫西·L.·波特, 克萊·邁克姆伯, 邁克爾·伊斯曼 申請(qǐng)人:北亞利桑那大學(xué)董事會(huì)