работа (стр. 3 из 3)
Рис.3.5. Резонансные кривые обоих балок полимерного кантилевера.3.C. Создания газового сенсора на основе ПЭГ и полимерного кантилевера.
Для проверки возможности использования кантилеверов созданных описанным выше способом в качестве сенсоров, была предпринята попытка создать датчик, реагирующий на пары этанола. Для этого одна поверхность кантилевера была модифицирована полиэтиленгликолем. Для этого на кантилевер был нанесён 2-процентный раствор ПЭГ в воде. После испарения растворителя, на одной поверхности кантилевера осталась тонкая полимерная плёнка. Согласно [5], кантилевер, модифицированный ПЭГ, отклоняется в парах этанола. Для регистрации изменения положения кантилевера использовалась оптическую систему атомно-силового микроскопа FemtoScan и отслеживалось перемещение по фотодиоду отражённого от кантилевера луча лазера. После установления равновесия в область нахождения кантилевера при помощи обычного медицинского шприца были впрыснуты насыщенные пары этанола. На рисунке 3.6 представлена зависимость отклонения луча, а, следовательно, и кантилевера, от времени. Видно, что приблизительно через 10 секунд после начала эксперимента и примерно через 4-5 секунд после
Рис.3.6. Зависимость отклонения кантилевера от времени в парах этанола.
впрыскивания паров, наблюдается скачок, свидетельствующий об отклонении кантилевера. Таким образом, удалось детектировать появление паров этанола. Этот эксперимент можно считать первым шагом к созданию газовых сенсоров и “электронного носа” на базе полимерных кантилеверов.
3.D. Точность определения отклонения кантилевера. Шумы лазера.
Для работы сенсоров в статическом режиме важным вопросом является точность измерения отклонения кантилевера. Она определяется уровнем тепловых шумов самого кантилевера, а также шумами оптической системы. Величину тепловых шумов кантилевера легко теоретически рассчитать по формулам:
,
где E - модуль Юнга материала кантилевера, l,w,h – длина, ширина и высота кантилевера, k – жёсткость кантилевера, kb – постоянная Больцмана, T – температура, A – отклонение кантилевера. Для полистирольной плёнки длиной 1000 мкм, шириной 300 мкм и толщиной 3 мкм они составят ~1нм. Экспериментальной проверки этих значений пока не проводилось, но планируется в ближайшем будущем.
Шумы оптической системы появляются в связи с использованием лазера в качестве измерителя положения кантилевера. Во-первых, лазер может быть нестабилен по мощности. Интенсивность излучения лазера может слегка отклоняться от среднего, номинального значения. Так как чаще всего не центральная часть лазерного пучка отражается от кантилевера и, следовательно, попадает на фотодиод, то нестабильность может привести к изменению сигнала Deflection. Например, если часть пятна, попадающая на верхнюю половину фотодиода, находится ближе к центру гауссовского распределения интенсивности в пучке чем нижняя, то при небольшом увеличении мощности суммарная интенсивность на верхней половине фотодиода увеличится сильнее, чем на нижней. Это приведёт к увеличению сигнала Deflection и, как следствие, ложному срабатыванию обратной связи.
Шум также может возникать в результате флуктуаций оси лазерного луча. Отклонение оси луча приводит к отклонению отражённого пятна на фотодиоде. При этом отклонение оси луча на 50 мкрад равносильно перемещению кантилевера с длинной балки 1 мм на ~20 нм по вертикали.
Сигнал Deflection также может изменяться при флуктуациях размера пятна. Если часть пятна, попадающая на верхнюю часть фотодиода больше чем та, которая попадает на нижнюю, то при увеличении пятна, интенсивность, попадающая на верхнюю часть, увеличится сильнее, чем попадающая на нижнюю. Интенсивность пропорциональна площади пятна. В результате изменится разность интенсивностей верхней и нижней части, а, следовательно, и сигнал Deflection.
Величина шумов оптической системы определяется, в основном, качеством лазера. В ближайшее время планируется экспериментально оценить погрешность, вносимую оптической системой.
4. Выводы и перспективы.
Был изучен принцип действия сенсоров, на основе микрокантилеверов.
Были изготовлены кантилеверы из полимерной плёнки с золотым напылением для создания более чувствительных сенсоров, а также “электронного носа” и получены их резонансные характеристики.
Создан пробный сенсор с использованием этих кантилеверов.
В будущем планируется усовершенствовать технику производства тонких плёнок с заданной толщиной. Также в перспективе создание полноценного газового сенсора и далее – “электронного носа”.
Список литературы.
[1] Nickolay V. Lavrik, Michael J. Sepaniak, Panos G. Datskos. Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 2004, №7, pp. 2229-2253.
[2] X. Richard Zhang and Xianfan Xu. Development of a biosensor based on laser-fabricated polymer microcantilevers. Applied Physics Letters,2004, №12, pp. 2423-2425.
[3] M. Calleja, M. NordstroЁ m, M. Alvarez, J. Tamayo, L.M. Lechuga, A. Boisen. Highly sensitive polymer-based cantilever-sensors for DNA detection. Ultramicroscopy, 2005, №105, pp. 215–222.
[4] Hans Peter Lang, Martin Hegner, Christoph Gerber. Cantilever array sensors. Materials today, 2005, №8, pp. 30-36.
[5] Alexander Bietsch, Jiayun Zhang, Martin Hegner, Hans Peter Lang and Christoph Gerber. Rapid functionalization of cantilever array sensors by inkjet printing. Nanotechnology, 2004, №15, pp. 873–880.
[6] Andrew W. McFarland, Mark A. Poggi, Lawrence A. Bottomley and Jonathan S. Colton. Production and characterization of polymer microcantilevers. Review of Scientific Instruments, 2004, №8, pp. 2756-2758.