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项目名称： BNI融合的微纳传感器及其系统基础研究 首席科学家： 王跃林 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 起止年限： 2006.1至2010.12 依托部门： 中国科学院 上海市科委 PAGE PAGE 52 一、研究内容 1、拟解决的关键科学问题 本项目的核心是超微量快速检测微纳传感器。对传感器来说，目前存在的主要问题是灵敏度和选择性等特性不能满足超微量快速检测的要求，采用传统的方法已很难达到超微量快速检测的水平。当传感器进入纳米尺度后，利用相应的纳米尺度效应可以大幅度提高传感器的灵敏度，从而为实现传感器的超微量快速检测开辟一条新的思路。 为了提高微纳传感器的灵敏度和选择性，要解决的关键科学问题主要包括：纳米尺度效应及模型、生化特异性反应能量通过界面效应转换为微纳表征能量的机制、微纳制造原理与方法和纳米尺度下的特性表征，其相互之间的关系如下面的框图所示。 纳米尺度 纳米尺度 效应 界面效应 微纳传感器 特性表征 微纳制造 SHAPE \* MERGEFORMAT 纳米尺度效应及模型：当材料的尺度到了纳米尺度后，会产生明显的尺度效应。如硅材料在纳米尺度下其热传导、杨氏模量和压阻系数等特性不仅与材料的尺度有关，而且热传导系数变小有利于检测生化特异性反应产生的热量，杨氏模量变小则有利于在同样的应力条件下获得大的位移，压阻系数变大将可以大大提高压阻式传感器的灵敏度。因此，通过搞清材料的纳米尺度效应及模型，就可以将这些效应及模型用于微纳传感器的研究，从而大幅度提高传感器的灵敏度，研制出超微量快速检测微纳传感器。而且，这些效应及模型是材料的基本特性，其他微纳器件的研究也需要搞清这些问题，如纳电子器件的散热就与热传导纳米尺度效应密切相关。因此，这一科学问题的解决，对其他微纳器件的研究也有十分重要的意义。 生化特异性反应能量通过界面效应转换为微纳表征能量的机制：由于要检测的外界信息很多不是物理量，因此如何将需要检测的外界信息转换为微纳敏感结构可以检测的物理量是很关键的科学问题。利用生化特异性反应可以将要检测的生物量或化学量转换成微纳敏感结构可以检测的物理量。由于生化特异性反应具有高度选择性的特点，因此利用这一特点可以大幅度提高微纳传感器的选择性。但是，生化特异性反应是如何与微纳敏感结构作用的以及反应能量是如何通过相关的界面效应实现转换的，目前还不是很清楚，搞清这些转换机制对超微量快速检测微纳传感器的研究是十分重要的。 微纳制造原理与方法：对于微纳传感器来说制造是基础，没有制造手段做保障就无法研制出微纳传感器，也无法制备出样品来研究材料的纳米尺度效应和相关界面效应，因此本项目要解决的另一关键科学问题就是微纳制造原理与方法，主要研究自上而下和自下而上微纳制造及其融合技术、跨微纳尺度的传感器理论模型和模拟设计问题，不仅要为研制出突发应急传感监测网络所需的超微量快速检测微纳传感器提供制造和模拟设计手段，还要为纳米尺度效应和相关界面效应研究的样品制备服务，并为进一步研究其他微纳传感器提供制造和模拟设计基础。 纳米尺度下的特性表征：对于纳米尺度来说，不仅制造难度非常大，而且特性表征也是一个要解决的关键科学问题。无论是纳米尺度效应和相关界面效应的研究，还是微纳制造和微纳传感器的研制，都存在如何在如此小的尺度范围内实现特性表征的问题。这一问题的解决不仅可为超微量快速检测微纳传感器的研究提供相应的表征手段，而且发展的表征原理与方法对其他微纳器件的研究同样有重要意义。 2、主要研究内容 当生化特异性反应信息在微纳敏感结构上转换成物理量后，采用什么样的微纳敏感结构将这些物理量转换成电信号，是一个非常重要的问题。本项目从结构的功能、通用性和代表性出发，拟考虑将三类微纳敏感结构：微纳机电敏感结构、仿生微纳敏感结构和基于碳纳米管的敏感结构来实现物理量到电信号的转换。 机电敏感结构（例如微纳悬臂梁等）特别适合将质量、应力应变、热、电荷、磁等物理量转换成电信号，因此，机电敏感结构一直受到人们的重视。机电敏感结构如果到了纳米尺度，其灵敏度将有质的飞跃，如它的质量检测分辨率在超高真空下可达10-18克量级，特别适合超微量检测。 世界上最早的传感器存在于大自然，实际上许多动植物由于生存的需要有非常好的敏感结构，灵敏度和选择性非常高，向大自然学习有可能研制出高性能仿生传感器。研究表明许多动植物的敏感结构就是微纳敏感结构，因此利用仿生微纳敏感结构可以研制出超微量快速检测微纳传感器。 碳纳米管作为一种性能优异的纳米材料，在快速、高灵敏检测方面有独特的优势。而且，碳纳米管是人们研究得非常多的纳米材料，无论是制备方法还是材料特性，有许多结果。因此本项目将充分利用碳纳米管的特点，对基于碳纳米管的敏感结构进行探索，从而研制出超微量快速检测微纳传感器。 基于上述考虑，