專利名稱：混合微懸臂傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及用于傳感化學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，適合于同時測量暴露在一種特殊化學和/或生物分析物中的一層聚合物薄膜厚度和導電率的變化，以傳感該特殊化學和/或生物分析物的存在。
背景技術：
堅固、便宜、可靠和小的化學微傳感器的構建可以根據一個可測的電信號如DC導電率進行，這在當前是非常感興趣的。當前研究發(fā)展的目標是構建能夠探測和鑒別單獨的化學和/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。傳感有機氣體已經通過測量有機薄膜厚度和導電率的變化而得到。特別地，當可揮發(fā)性大氣傳播的有機物溢出或偶然釋放到空氣中可以對儀器的內部操作和生物產生有害影響。及早的探測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物例如苯，四氫呋喃，乙醇，氯仿以及其它有機物已經由Freund和Lewis(Proceedings of the NationalAcademy of Sciences，92，2652，(1995))通過使用基于“有機鼻”傳感單元的聚吡咯材料展示。該傳感器通過在一個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分析物氣體其電阻改變，產生一個化學可逆和一致圖形。這種圖形對每種分析物是可重復的和唯一的。
在醫(yī)學上，探測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報道是肺癌的生物標志物質，而根據腎衰竭病人的觀察，已經報道二甲胺和三甲胺是魚腥尿毒癥呼吸的起因。這種胺類物質的早期探測可以加快病人的診斷和治療。這種技術也允許住在沒有適當衛(wèi)生保健區(qū)域的病人的醫(yī)生進行遙控診斷。摻雜碳黑的聚苯胺聚合物已經產生了一類化學電阻探測器，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(G..Sotzing，etal.，Chem.Mater.，12，593-595，(2000))。當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，該膨脹移動導電的碳原子，使其在薄膜矩陣中彼此遠離。由于導電的碳原子之間的距離增大，薄膜的電阻增強。測出的胺類物質的電阻增強是唯一的，可以和其它的響應區(qū)分開。
最后，考慮到出現的恐怖主義的威脅，通過可靠的傳感設備探測公共建筑物和運輸領域的神經性毒氣或其它揮發(fā)性/有毒的氣體的能力已經變得更加重要了。摻雜高氯酸鋰的聚環(huán)氧乙烷聚合物化學電阻器，已經被用來準確的探測和分辨神經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薄膜膨脹的過程中進行重新排列。系統(tǒng)的導電性增強了，因為移動電荷有更多的路徑移動。系統(tǒng)的交流阻抗顯著降低，每種氣體產生了一種信號阻抗。
早在1986年，已經展示了化學電阻器探測器的一般原理。早期的傳感試驗，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，表明當暴露于有機分析物氣體時薄膜有電阻變化。這些系統(tǒng)基于這樣一個事實，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通過摻雜導電離子和軟化劑的基于有機聚合物系統(tǒng)得到展示。其它材料例如粘土也使用的很成功。
有機聚合物系統(tǒng)通過分析物氣體擴散(融解或分配)到聚合物薄膜矩陣的過程進行工作。通過聚合物的薄膜膨脹或收縮，或者改變了導電原子之間的距離，或者改變了移動電荷形成的路徑，從而改變了聚合物的導電性。最簡單的系統(tǒng)采用自然導電的有機聚合物，例如聚乙炔黑色素。這樣系統(tǒng)的導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。這增強了分子間的電容，如同在一個平行板極系統(tǒng)中的一種電介質一樣。聚合物導電性還可以通過添加一種摻雜劑例如一種導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。添加一種導電鹽增加了薄膜中移動電荷載流子的數目，允許電流更加容易地流動。
在這些系統(tǒng)中在這方面引起注意的是碳黑有機聚合物復合物，通過在交叉梳狀陣列上旋涂或滴涂淀積。將碳黑元素包括進有源傳感器材料中的專門目的是通過非導電有源聚合物材料獲得一個可測的DC導電性。引入分析物材料導致聚合物膨脹以及聚合物復合薄膜隨之的電阻變化。為了從一系列可能的物質中鑒別特定的蒸氣和確定該蒸氣的濃度或對多成分系統(tǒng)進行相似的測量，這都需要構建傳感元件的陣列。圖形識別技術或一個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電橋。當原子靠在一起，電荷更容易流動，當聚合物膨脹和增加碳原子間距時，電荷更難流動。碳黑傳感器能區(qū)分像分子對映體一樣緊密相關的東西。例如，在一個系統(tǒng)中，一種手征性聚合物摻有碳黑，然后暴露在+和-形式的對映體氣體中。在+/-情況下氣體被吸收的不同并且在整個電阻響應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，使用碳黑有機聚合物合成物會產生一系列的缺點。首先，由于在合成物構建中的不可控變化，很難可靠地復制一給定系列的化學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)定傳感元件反復地暴露在分析物蒸氣中可能導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，這樣含有一個緩慢的恢復時間。第六，交叉梳狀陣列通常包括兩個元件-一個玻璃襯底和一個沿界面區(qū)域的金屬薄膜或線。這種復雜結構可以導致粘著問題。進一步碳黑不能用于生物傳感，因為基于生物分子和附著到襯底上的傳感器不能有效地結合例如碳黑這樣的材料。
從而，存在一個增強的微傳感器的需要，它含有改進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)明內容
本發(fā)明提供了用于確定生物和/或化分析物存在和數量的一個方法和儀器，使用一個混合傳感器，適合于同時測量一種材料的體積和電特性，該材料對感興趣的特殊生物或化學分析物的存在產生響應。
在一個實施例中，根據本發(fā)明的混合傳感器通過同時監(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。
在另一個實施例中，傳感器材料是一個摻雜高氯酸鋰的聚環(huán)氧乙烷薄膜。
仍然在另一個實施例中，通過一個頻率分析儀以信號聯(lián)系一個傳感材料來測量阻抗，以及/或通過一個偏轉微懸臂傳感器接觸傳感材料的表面測量厚度。
仍然在另一個實施例中，混合傳感器設計成確定一個樣品中一種特殊分析物的同一性和濃度。
仍然在另一個實施例中，本發(fā)明貫注于包括一個分立混合傳感器陣列的一個混合傳感器系統(tǒng)。
仍然在另一個實施例中，本發(fā)明貫注于根據本發(fā)明構建一個混合傳感器的方法。
仍然在另一個實施例中，本發(fā)明貫注于使用在此描述的混合傳感器，確定在一個樣品中的一種分析物的同一性和/或濃度中至少的一個。


通過下面詳細的描述并結合附圖能更好地理解本發(fā)明。要強調的是，根據一般慣例，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展或減小。附圖中包括的是下面的圖形圖1是根據本發(fā)明一個混合傳感器的典型實施例的示意圖；圖2是根據本發(fā)明，用于模擬一個混合傳感器“儲能電路”的典型實施例的示意圖；圖3是圖2所示“儲能電路”的一些電特性的奈奎斯特圖；圖4是圖2所示“儲能電路”的阻抗特性圖；圖5是根據本發(fā)明一個示例的頻率響應分析儀的框圖；圖6是根據本發(fā)明一個典型混合傳感器的阻抗傳感器圖；圖7是根據本發(fā)明一個典型混合傳感器的奈奎斯特圖；圖8是根據本發(fā)明一個示例的混合傳感器的阻抗圖；圖9是根據本發(fā)明一個典型混合傳感器的奈奎斯特圖；圖10是根據本發(fā)明對一個典型混合傳感器的阻抗-電壓圖；圖11a和11b是根據本發(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”現象的一個分子示意圖；圖13a和圖13b是根據本發(fā)明暴露在100％水蒸氣中的混合傳感器的阻抗響應圖；圖14a和14b是根據本發(fā)明暴露在100％水蒸氣中的混合傳感器的位相偏移響應圖；圖15a是一張根據本發(fā)明的一個典型混合傳感器的圖片；圖15b是一張根據本發(fā)明的一個典型混合傳感器的圖片；圖15c是一張根據本發(fā)明典型混合傳感器的微懸臂的偏轉臂照片；圖16是根據本發(fā)明一個典型混合傳感器的厚度響應圖；
圖17a是根據本發(fā)明暴露在100％水蒸氣后的典型混合傳感器的厚度響應圖；圖17b是根據本發(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是根據本發(fā)明暴露于水后的一個典型混合傳感器的阻抗、厚度、相移響應圖；圖20是根據本發(fā)明暴露于水后的一個典型混合傳感器的阻抗、厚度、位相偏移響應圖；圖21是一個聯(lián)系如圖20所示的阻抗和厚度響應圖；圖22a是一個根據本發(fā)明暴露于水后的一個典型混合傳感器在不同頻率下的阻抗響應圖；圖22b是一個根據本發(fā)明暴露于水后的一個典型混合傳感器在不同頻率下的厚度響應圖；圖22c是一個根據本發(fā)明暴露于水后的一個典型混合傳感器在不同頻率下的位相偏移響應圖；圖23a和圖23b是一個根據本發(fā)明暴露于水后的一個典型混合傳感器的阻抗和厚度響應圖；圖24a和24b是根據本發(fā)明暴露于190標準乙醇后的一個典型混合傳感器的阻抗和厚度響應圖；圖24c和24d是根據本發(fā)明暴露于200標準乙醇后的一個典型混合傳感器的阻抗和厚度響應圖；圖25a和25b是根據本發(fā)明暴露于b丙酮后的一個典型混合傳感器的阻抗和厚度響應圖；圖26a和26b是根據本發(fā)明暴露于n-辛烷后的一個典型混合傳感器的阻抗和厚度響應圖；圖27是圖23-26所示數據的厚度對阻抗的響應圖；
圖28a和28b分別是圖23-26所示數據對溶解度參數的厚度和阻抗響應圖；圖29a是根據本發(fā)明暴露于水、乙醇(標準200)、丙酮和n-辛烷后的一個典型混合傳感器的厚度對濃度響應圖；圖29b是根據本發(fā)明暴露于不同濃度的丙酮后的一個典型混合傳感器的厚度對阻抗響應圖；圖30是根據本發(fā)明使用一個典型傳感器基于測量得到的，用于在一個樣品中鑒別和量化一種分析物的圖；以及圖31a，31b和31c示出了根據本發(fā)明使用一個典型無定形聚合物材料測量的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明針對一個混合傳感器，適用于通過同時測量一個有機聚合物或合成物材料薄膜的厚度和導電率變化來分析分析物蒸氣。
在涉及本發(fā)明的細節(jié)之前，下面是本申請中使用的縮寫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)在一個典型實施例中，即在圖1中所提供的示意圖，混合傳感器10由將一個傳感材料12放置在一個襯底14上，或者與一個信號分析儀設備16直接集成，或者與一個信號分析儀設備以信號聯(lián)系的方式，然后放置一個壓電微懸臂18的偏轉臂17接觸傳感材料12的一個表面20。
在這個實施例中，壓電微懸臂18用于厚度測量，以及一個信號分析儀16例如一個頻率響應分析儀用于阻抗測量。在操作過程中同時測量厚度和阻抗，表征了薄膜暴露于一種特定氣體或液體樣品的響應。由于膨脹導致了一個樣品中一個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)系同時測量的厚度變化。每個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聯(lián)系導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臂頂端上，或者傳感元件的一個連續(xù)涂層可以形成在表面上使得一部分偏轉臂掩埋于此。
如上描述，本混合傳感器同時監(jiān)測一個傳感器材料的導電率和厚度，以對一種特定分析物獲得一個“指紋”。例如，在上面描述的系統(tǒng)中，優(yōu)選使用交流電(AC)以測量摻鋰鹽PEO系統(tǒng)的阻抗。在這樣一個典型系統(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阻抗中路徑長度并不是像在DC電阻中一樣是一個因子。同樣優(yōu)選AC探測電路因為應用DC能導致感應電荷聚集，即介質的極化。使用AC減輕這種極化現象，因為信號是正弦波它持續(xù)改變方向，不允許介質中電荷的聚集或分離。
測量的阻抗依賴于通過介質或元件施加波的頻率，使得阻抗可以以極坐標符號(r，θ)表示，r等于信號幅度，θ等于電流后面的電壓的相移?？傋杩惯€可以以直角坐標(a，b)表示，實部(a)和虛部(b)通過復關系給出R＝a+bi(1)或者方程
Z*＝Z’+jZ”(2)其中Z’是實部(a)，Z”是虛部(b)Z*是總阻抗。
根據本發(fā)明混合傳感器系統(tǒng)的測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部或外部發(fā)生的流動電荷輕微漂移量，電容模仿流動電荷當通過有機襯底運動的行為。流動電荷運動通過矩陣的容易程度依賴于流動離子的濃度以及可以獲得的流動電荷能夠移動到的位置數目。流動電荷使用的溝道和位置的開和關依賴于襯底的狀態(tài)。從而，電阻和電容以串聯(lián)和并聯(lián)結合可以用于構成“儲能電路”，以模擬聚合物系統(tǒng)的響應，改變條件以確定正確的頻率用于施加給一個給定的聚合物系統(tǒng)。
對一個含有多電容與一個電阻并聯(lián)的系統(tǒng)，典型的儲能電路示于圖2，其相應的奈奎斯特圖示于圖3。如圖所示，在圖3中一個頻率掃描加在如圖2所示的并聯(lián)RC電路，便繪制出一個半圓形。確實，如果頻率范圍足夠大的話，在奈奎斯特圖上可以看到多個半圓形。在半圓形右邊最遠的點相應于電路的電阻。半圓的最高峰的點是系統(tǒng)中電阻和電容具有相同效果的點。左邊最遠點由于高頻波忽略或分路平行板，而相應于電容的一個有效旁路。
傳感器電路的數學表達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算理論期望值。對于圖2所示的儲能電路，3個電容的總和(C2+C3+C4＝Cp)等于一個電容并聯(lián)R1和C1并關聯(lián)于一個阻抗Z1＝-jx1。電阻/電容元件R1和C1由Z2＝R1-jx2表示。阻抗Z以粗體表示是因為它們是相量。相量是聯(lián)系一個諧函數的矢量(含有一個幅度和相移)。電容以并聯(lián)相加作為它們每個電容的總和。并且阻抗以并聯(lián)相加作為它們倒數的和。根據下面導出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]]>使用這些方程對系統(tǒng)根據(r，θ)其中Z＝r，可以計算出期望值。對如圖2所示的模型電路，這些計算的阻抗值的理論圖提供在圖4的圖中。
盡管測量阻抗可以通過使用一個直接測量電路實現，如上面所描述的，在本發(fā)明混合傳感器的阻抗測量還可以使用一個頻率響應分析儀(FRA)間接實現。它產生一個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，并分析在每一步沿傳感器(Vc)和旁路(Vs)的壓降。這兩個的比值被顯示出(沿相角)當該結果是分路電阻(Rs)的倍數時，就可以知道傳感器的阻抗(Rc＝Z)的幅度。
在這樣一個系統(tǒng)中，相角指的是傳感器電壓和施加電流之間的相位差?？偟膹妥杩箍梢栽谝粋€奈奎斯特圖(a，b)中畫出，作為阻抗對Log(頻率)(Z，Log(f))的函數，或者相移對Log(頻率)(θ，Log(f))的函數。這種方法詳細描述于參考(P.Bruce，PolymerElectrolyte Review，“電測量聚合物電解質”Elsevier Applied Science，London；New York，1987 p.266-269)，它的公開在此引用作為參考。
開始于關系式V＝I×R(R實際上是Z的幅度，沒有相移)，我們可以數學上導出上面表明的關系，注意電流(I)在最終表達中并不存在。這是很重要的，因為包括在這些混合傳感器中的電流非常小，并且很難測量而不影響其值。電壓源的幅度值可以被調制，在電化學系統(tǒng)中推薦一個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)。對用于本發(fā)明的FRA的一個典型實施例電路圖提供于圖5。對這樣一個FRA的數學導出如下Vs＝IRsVc＝IRcVc＝IRc
Vs＝IRsVcVs=RcRs]]>VcVs*Rs=Rc⇒Z]]>在這樣一個系統(tǒng)中，如前面所描述的，阻抗(Z)數據可以由機器以直角(a，b)或極坐標(r，θ)如前面所描述的返回。
因為本發(fā)明傳感器的阻抗測量依賴于用于監(jiān)測器件的頻率，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成的傳感器，重量的濃度比10∶1，使用一個FRA在傳感器上加上一個頻率掃描。對傳感器的掃描數據示于圖6，相移數據(初始收集的為負值)根據電化學慣例轉換成正度數。
然后根據上面描述的轉換方程直角坐標轉化成極坐標，以極坐標收集的傳感器數據轉到奈奎斯特圖，如圖7所示。觀察到的半圓相應于先前由“儲能電路”模擬所預測的模型。
如所討論的，每個點表示一個給定的頻率，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。這個最大值相應于電阻元件和電容元件分布相等的點。基本上純電阻的點發(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，相應于通過材料的信號為低電阻。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的信號頻率位于極坐標圖(在Log(F)＝1)高阻抗臺階上的中間，以及在奈奎斯特圖上在半圓底部的最遠右邊(約(12，0.1))。該頻率在極坐標圖上的平臺區(qū)域含有最大電阻，意味著在該頻率的測量將產生該傳感材料只是電阻的測量。
頻率掃描數據也收集在直角坐標中，然后轉化成極坐標，如圖8和9所示。應注意到在奈奎斯特圖上測量的b值為負，對極坐標圖所有測量的角都轉化為正。將極坐標轉化成直角坐標以及反之示出了每個坐標系統(tǒng)之間的一致性結果。另外，該數據相應于前面示出的儲能電路值，和在低頻范圍的值在10.0×105歐姆量級在高頻范圍值在0.5×105歐姆量級的理論模型。
盡管對于一個典型實施例進行頻率掃描數據用于監(jiān)測阻抗，應該理解應該得到這樣的數據以確定根據本發(fā)明混合傳感器系統(tǒng)的頻率依賴性。
如前面所討論的，對一個特定的測量除了確定恰當的頻率外，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大的功率，在通過電化學反應時能夠潛在地損壞電路，而電壓太低在測量的數據中表現出噪聲水平的增加。
圖10示出了一個頻率掃描圖以確定當加上不同電壓時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傳感器上，使用0.01伏信號和0.1伏信號確定兩個信號之間的噪聲差。如圖所示，在中和高頻在兩個信號之間沒有重大差異。但是，觀察低頻響應我們看到在0.01Hz水平直到10Hz(Log(F)＝1)對阻抗有巨大差異，直到1Hz(log(F)＝0)對相移有差異。0.01伏信號比0.1伏信號在這些低頻水平處更有噪聲以及更加不穩(wěn)定。10Hz頻率已經示出能給出最大電阻響應，并且該頻率位于對于0.01伏信號的噪聲區(qū)邊緣。因此，盡管某些頻率對傳感器系統(tǒng)的電阻響應更好，選擇一個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量，應該理解這種頻率掃描測量阻抗可以用于在任何合適傳感器中阻抗測量的校驗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能電路和典型傳感器，在低頻10×105歐姆量級到在高頻0.5×105歐姆量級。這些值與上面計算的理論預測值的幅度在同一量級。
此外，使用頻率對時間圖和奈奎斯特圖，還可以確定最佳測量信號的鑒別。例如，在上面描述的測量中，測量的最大阻抗在0.01Hz-100Hz頻率范圍為10×105歐姆量級。10Hz的值確定為用于信號測量的有希望的頻率，由于它的位置在這個峰值的中央以及環(huán)繞周圍測量它缺乏噪聲。178Hz的信號頻率確定為另一個有希望的頻率，因為它是半圓奈奎斯特圓的最大值。盡管優(yōu)選這些值，應該理解可以使用不太理想的值以獲得根據本發(fā)明混合傳感器的阻抗測量。
測量中電壓對噪聲的影響對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。經確定0.1伏能夠滿足這種需要以及低噪聲約束。對這個電壓噪聲在0.1Hz的頻率掃描下呈現出消失狀態(tài)，而0.01伏信號直到1Hz也顯示出很大的噪聲，功率接近10倍于10Hz測量的信號。結合這些測量可以確定，根據本發(fā)明混合傳感器的一個優(yōu)選實施例是使用10Hz或178Hz的頻率以及電壓幅度0.1伏。
盡管上面描述了一個頻率分析儀阻抗傳感器，應該理解任何適合測量傳感器材料中導電率變化的信號分析儀都可以用于本發(fā)明混合傳感器。
與此同時，微懸臂傳感器形成在一個與包括傳感材料的表面隔開的襯底上。傳統(tǒng)半導體工藝技術可以用于形成微懸臂。例如，在一個實施例中，如圖所示，微懸臂可以包括一個懸垂部分，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，使得微懸臂的偏轉臂可以至少部分粘著并/或粘著在傳感材料中。一個微操縱器例如掃描隧道顯微鏡(STM)臺可以用于定位及對準元件。
微懸臂的偏轉臂優(yōu)選由對分析物、引入到排列中的以及可以包括目標分析物的氣體和液體介質的攻擊有抵抗性的半導體材料。微懸臂的偏轉臂可用于氣體和液體環(huán)境。微懸臂的偏轉臂包括至少一個可測的物理屬性，當產生應力時在偏轉臂中通過偏轉該偏轉臂的掩埋部分而發(fā)生變化，從而對周圍傳感材料的體積變化進行響應。
包括偏轉臂的混合探測器的微懸臂尺寸將根據各種實施例而改變。在一個典型實施例中，偏轉臂的長度范圍從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。進一步，應注意到偏轉臂的基本水平配置在它示例的剩余部分中僅僅是典型的，并且當它在其剩余部分時，該偏轉臂可以關于水平線向下傾斜地形成。在那種情況下，偏轉臂的軸關于每個襯底的頂部和底部可以形成一個銳角。
構成偏轉臂的材料應該選擇使得偏轉臂的彎曲響應于傳感材料在垂直方向的一個體積變化，即使該偏轉臂浸沒在一種液體介質中，例如可以被引入到傳感材料用于分析。
偏轉臂進一步包括至少一個可測物理屬性，當應力通過臂的偏轉加在臂上時發(fā)生變化，從而對周圍傳感材料的垂直體積擴展進行響應，如將在隨后的圖中示出。當偏轉臂偏轉時一個可測物理屬性變化的實例是電阻。為提供一個當偏轉臂偏轉時變化的電阻，一個壓阻部件形成在偏轉臂中。根據其它典型實施例，該壓阻部件可以形成在偏轉臂頂的表面或下面。
根據一個典型實施例，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臂中。當偏轉臂彎曲時，壓阻部件的電阻由于部件中的機械應變而改變。根據一個典型實施例，微懸臂的無應變電阻可以在2k歐姆的量級。該典型的可測物理屬性因此由于彎曲而改變。探測方法用于測量這種在電阻上的變化。微懸臂的敏感性以及探測方法精度使得僅僅十分之幾埃的彎曲將導致一個可測的電阻變化。
根據一個典型實施例為測量電阻變化，導線可以通過接觸耦合到壓阻部件。在這樣一個實施例中，每個接觸將通過偏轉臂的表面延伸以接觸壓阻部件。然后導線可以耦合到一個適合測量壓阻部件電阻的傳統(tǒng)電路中。
應該理解電阻作為壓阻的可測物理屬性僅僅是示例性的。根據其他典型實施例，當偏轉臂彎曲時可以變化的各種其它物理屬性都可以和相聯(lián)系的適合測量這種變化的探測方法一道使用。根據一個優(yōu)選實施例，探測方法適合測量偏轉程度。反過來可以提供一個電路或其它方法以便于測量可測物理屬性的改變。當測量這種變化時，可測物理屬性在彎曲之前和之后測量，結果比較于探測的一個變化以及變化程度。然后該變化本身可以聯(lián)系待探測的分析物的存在，物理屬性的變化程度將優(yōu)選相應于臂偏轉的程度，反過來將優(yōu)選相應于分析物存在的濃度量。根據另一個典型實施例，當臂偏轉時，偏轉臂可以包括多于一個可測物理屬性。
本發(fā)明還提供了探測方法例如各種電路，來探測可測物理屬性或偏轉臂特性的變化?？蓽y物理屬性將優(yōu)選在引入可以包括待探測分析物的介質之前和之后測量。介質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。對示出的典型實施例，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相聯(lián)系而形成在表面上，并部分包住偏轉臂的懸垂部分，傳感材料可以通過滴劑淀積形成，例如使用微毛細管，或使用噴墨式印刷機技術來形成直接在偏轉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坑洼，襯墊或小滴的形狀。作為選擇，表面或一部分偏轉臂本身可以在淀積傳感材料之前得出，以促進粘著。
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(δ)提供了一個鑰匙，用于檢驗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目。溶解度參數是一種材料中分子的吸引長度或內聚能，并最初用于計算混合流體自由能。這個概念已經延伸到溶劑(氣體或液體)和聚合物，因為溶劑與近似相同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，對一個給定的溶劑空間可以理論上提出一個通用傳感器陣列。使用的聚合物的數目和類型將基于它們的溶解度參數預選出來，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

傳感材料可以對化學或生物材料敏感。對于一種化學傳感材料的情況，純聚合物或聚合物結合的復合物材料可以用于探測液相或氣相分析物。形成之后，在一個典型實施例中聚合物傳感材料呈現出某種彈性一致性。聚合物化學傳感材料的選擇使得在存在至少一種待探測分析物存在的情況下，經受體積膨脹或收縮。這在分析物吸引并與傳感材料結合時發(fā)生，典型地通過，吸附，吸收，分割，或結合。示例的聚合化學傳感器材料包括聚(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)。
根據另一個典型實施例，聚合化學傳感材料可以為一種復合材料，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。暴露于目標分析物時，化學傳感器經受包括垂直方向的體積變化，當分析物由傳感材料吸附時，以在偏轉臂上以垂直方向施加一個應力。
傳感材料還可以是一個生物傳感器，例如生物分子，它在選擇作為待探測分析物存在情況下經受構象的變化。根據一個典型實施例，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互補DNA線。DNA優(yōu)選以雙線配置存在。如果互補DNA線(分析物)包括在引入到傳感元件的介質中，該互補線將非常牢固地結合在硫醇線上，有效地增加了金襯底上DNA層的厚度，或者作為選擇，在垂直方向產生體積膨脹。
根據一個生物傳感器的另一個典型實施例，對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。當存在分析物病毒時，它牢固地粘著并隨之結合抗體層。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。根據其它典型實施例，可以使用其它生物傳感元件，它響應選擇作為待傳感分析物的存在而經受一個物理或形態(tài)學變化。在每個情況下，傳感材料吸附分析物并在體積的垂直方向膨脹或收縮，偏轉了偏轉臂的掩埋部分以及在偏轉臂粘著基底的部分上生成一個可測應力。仍然根據另一個典型實施例，生物傳感器可以選擇為體積在垂直方向收縮，以響應選擇作為待探測分析物的存在。
在一個典型實施例中，傳感材料包括在一個交叉梳狀陣列(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，因為當PEO摻雜鋰鹽時，結果是改進了室溫導電性。
盡管不受理論束縛，在PEO材料中導電性的變化認為是聯(lián)系鋰例子通過PEO矩陣移動能力。在這種實施例中，PEO聚合物薄膜的響應將是單個氣體的特征并將作為一個“指紋”，可以存儲在庫中并在以后作為鑒別未知氣體的參考。除了聚合物的導電性，使用PEO作為襯底的其它好處包括隨時間的耐久性，以及它暴露于分析物氣體停止時自身“復位”到基準狀態(tài)的能力。PEO還顯示了好的熱耐久性，對各種揮發(fā)性有機化合物大的阻抗響應，以及暴露后比較快及完全地復位。另外，產生敏感結果需要相對較小量的聚合物。
如前面討論的，PEO具有溶解度值24.2Mpa1/2，處在表1的中間，并相應于許多有機分析物。乙醇(26Mpa1/2)和丙酮(20.5Mpa1/2)在表中落在PEO的兩邊并且應該容易混合。而異辛烷(24.1Mpa1/2)和水(48Mpa1/2)離PEO很遠位于很遠的兩端，應該不會混合的很好。然而，當PEO摻有高氯酸鋰，室溫導電性增加，因為當允許干PEO形成長螺旋狀或Z字形一致構造，提供了一個Li陽離子在聚合物矩陣中具有移動性。正移動電荷可以沿PEO分子以一個成為“跳躍”的過程移動到負性的不同區(qū)域，以圖12中所示。
盡管不受理論束縛，認為PEO薄膜的導電性聯(lián)系以薄膜矩陣中Li+陽離子流的電阻。因此，在工作過程中，分析物氣體分子進入聚合物矩陣的內部過道區(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電荷移動。該行動改變了AC阻抗(其中DC電阻是一個分量)，對給定分析物產生了一個標記電阻變化。唯一的變化是由于分析物氣體的物理和化學特性。氣體在大小和極化的差異影響將吸收進聚合物薄膜中的多少和多快。
盡管PEO對Li+的任何合適比值都可以用于本發(fā)明，PEO∶Li+的一個優(yōu)選的范圍位于重量為6∶1-15∶1的區(qū)域。PEO∶Li+比在這樣一個范圍內已經發(fā)現能產生活躍的導電薄膜。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)自由移動以增加導電性，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Li+沿溝道在聚合物矩陣中的負區(qū)之間“跳躍”或“隧穿”也已經在聚苯胺-聚環(huán)氧乙烷系統(tǒng)中觀察到。
實例根據本發(fā)明對一個傳感器實施例進行了一系列示例性傳感研究。在下面的研究中，各種化學物質用于進行傳感器和圖像研究。用于制備薄膜傳感材料的有機聚合物是聚環(huán)氧乙烷，分子量4000000g/摩爾，從Aldrich Chemical購得。PEO摻有高氯酸鋰(BakerAnalytical，LiClO4)以增加導電性。PEO和LiClO4都溶解在極性疏質子溶劑(Aldrich，CH3CN)中。傳感器系統(tǒng)包括有機聚合物薄膜涂在Microsensor System制作的交叉梳狀陣列(IDA)上。引線使用從Ablestik和Loctite購得的兩種類型導電環(huán)氧樹脂粘著IDA。Ablebond84-1LMISR4在175℃的烘箱的硬化時間為2小時，或者對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氣氣罐用作運載氣體。
阻抗和相移數據使用Solartron/Schlumberger 1250頻率響應分析儀(FRA)得到，它產生一個頻率調制信號，在經過電路單元后進行恢復和分析。厚度變化通過使用一個從Microscopes Inc.購得的壓電懸臂測量，型號#PLCT-SAMT。懸臂的彎曲產生使用KeithleyMultimeter 199 DMM的一個電阻響應。一個便攜手持Wavelek X15萬用表用于所有其它電學故障診斷。LabView繪圖程序軟件和從National Instruments的一個通用接口總線(GPIB/USB)插頭用于將FRA和Multimeter與Sony(900MHz Athlon處理器/40GB內存)微型計算機連接，用于數據收集和監(jiān)測目的。成像和懸臂安裝的使用一臺Park Scientific Scanning Force Microscope(SFM)完成。薄膜通過一臺Mitutoyo制造的可調節(jié)薄膜涂布機均勻涂布。輸送變化氣體濃度，使用一個玻璃和Tygon管道起泡器系統(tǒng)將干氮氣氣罐和分析物起泡器氣罐連接到一個適合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)設置進行。在5微米和2微米水平進行掃描。聚合物如上面來制備，薄膜的制備通過對鐵棒滴涂聚合物并使用涂布機將其涂布平坦。對純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％水蒸氣下進行成像。
制作傳感單元開始于預檢查IDA。使用粘著在萬用表上的針尖探頭在電極襯墊上測量電阻。當陣列中沒有指接觸到相鄰的指時，返回的值應該是無窮的。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剝掉絕緣性。然后使用蒸餾水清洗和化學擦拭暴露的導線。測量接線電阻并丟棄大電阻導線。使用一片載玻片作為基底，以將IDA和引線向下捆住以繃緊。加上導電環(huán)氧樹脂并允許在烘箱中或在室溫下硬化。當環(huán)氧樹脂硬化后，結果的連接通過測量跨過接頭的電阻來檢查，通過將導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)讀數相應于壞的(斷路)連接。
摻雜LiClO4的PEO以10∶1比值(重量)用作有機薄膜傳感材料。大約0.200克PEO粉末和0.020克LiClO4鹽放在預先稱重的10ml燒杯中。5ml的乙腈吸進LiClO4的燒杯中。一個磁攪拌棒放在溶液中，燒杯放在一個磁攪拌盤上。固體攪拌5分鐘這時LiClO4完全溶解。這時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。一個干凈的#4綠制動器放置在燒瓶頂部并允許混合物一整夜攪拌。制動器密封該容器并阻止溶劑蒸發(fā)。結果是滴澆在IDA表面上的一種云狀凝膠，在使用橡膠泥將IDA安裝在一個鐵棒撒謊那個之前，薄膜允許一整夜干化。然后將傳感器引線焊接在一個同軸轉換柵欄上，用于粘著FRA的后部同軸插頭。
在測量過程中，阻抗(Z)和相移(θ)的基線測量通過從0.01-65kHz進行一次對數掃描頻率，以確保正確的FRA操作和傳感器阻抗。對于厚度測量，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。彎曲預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。
初始設置和檢查后，傳感器的阻抗和厚度單元已經準備好氣體暴露。在此時氣體線打開頭罩放在傳感器上。N2運載氣體通過起泡器儀器流動，它拾起待檢驗的分析物氣體。待檢驗的分析物包括蒸餾水，乙醇190試驗(Aldrich，C2H4OH)，乙醇200試驗(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位傳感器。典型的暴露循環(huán)時間包括30秒基線讀出，在添加分析物蒸氣直到薄膜飽和發(fā)生前進行。然后再接著進行干N2直到當所有分析物離開聚合物時得到一個水平基線。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數據來監(jiān)測。FRA測量阻抗變化，除非否則要注明，發(fā)生器設置在0.1伏和10Hz。數據轉化為電子表格并在圖形上和數學上相關聯(lián)。
實例1在第一典型實施例中，阻抗的測量使用一個IDA傳感器連接到一臺FRA，涂有一層薄膜有機聚合物傳感材料，如上面描述。測量或者存儲到FRA文件存儲器中或者使用GPIB/LabView連接計算機下載到計算機。然后測量阻抗變化和相移，作為暴露在由N2運載到傳感器的100％水蒸氣的過程中時間的函數。檢驗分成兩部分，當薄膜膨脹時測量99個數據點以及松弛時測量99個點。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，傳感器進行完全飽和(如部分1)然后暴露于干N2從600-1200秒，在這個時間過程中測量阻抗和相移數據。
阻抗和相移測量結果分別示于圖13a和13b以及14a和14b。如圖所示，當“a”圖和“b”圖相配合時顯示了電流流經聚合物時阻抗和相移的對稱變化，意味著不僅根據本發(fā)明傳感器的阻抗敏感地響應于水分析物的存在，而且傳感器能恢復這樣可以再使用。特別地，傳感器的阻抗在圖13a中開始于8.3×105歐姆，結束于圖13b。對兩部分阻抗低點都為約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％。相移數據顯示高的在14a為39°，在14b為38°，低的在14a和14b都為33.5°。這相應于對14a的差為5.5°，對14b差為4.5°，以及對14a和14b變化百分比分別為(5.5/39)*100＝14％和(4.5/38)*100＝12％。
實例2盡管于此描述的，在傳感材料中使用阻抗變化已經示出了一些分析物之間的差異，本混合傳感器設計成使用額外的以及同時地測量傳感材料厚度的變化，以增加傳感器的分辨功率，使它們對分析物濃度和類型更加敏感。
如前面描述的，當暴露于有機蒸氣中時聚合物薄膜膨脹。數據顯示了厚度響應對單個氣體和它們的濃度是特征性的并且唯一的。在本發(fā)明的一個實施例中，由于不同氣體和濃度，使用一個放置在接觸傳感材料一個表面的壓電懸臂測量膨脹量。一個典型的微懸臂照片示于圖15a。
在這樣一個實施例中，放置懸臂的臂接觸傳感材料薄膜的表面。可以使用任何適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臺調整以及光學顯微鏡允許微小調整，而代替懸臂頂端調整到有機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，懸臂是一個有角度的刀刃，粘著在一個微電路上。當懸臂的刀刃(示于圖15c中的特寫)接觸聚合物的表面時，它便彎曲。懸臂端點的材料含有一個永久的偶極矩，當它的晶格結構的平面受應力時它會變化。在彎曲的應力下的內電場變化，產生了一個電信號。這種彎曲從一個默認值改變了粘著刀刃的電路的電阻。
當聚合物膨脹時，刀刃彎曲更厲害，增加了電阻的改變。電阻響應持續(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)現一個轉換常數。由此得出2.5微歐等于1埃，以及1歐響應等于400埃(1Ω＝400A)的薄膜膨脹。該技術用于確定不同氣體對一選擇的聚合物厚度的效應，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。收集的數據顯示對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(作為電阻響應測量的)。
構造上面描述的典型傳感器，以在標準傳感條件下提供傳感材料種厚度變化的測量。在該實例中，一個傳感器構建并放置在接觸一個鐵棒表面上，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SFM的磁安裝臺上，使用SFM的光學顯微鏡和校準將一個傳感器的懸臂降低到每個有機薄膜表面上。
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薄膜作為時間的函數膨脹產生的歐姆變化。薄膜膨脹的量可以使用懸臂在100-700秒范圍內的響應計算出。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換1歐姆＝400埃＝0.04微米，可以計算出總體厚度范圍微2100埃或0.21微米。
圖17a示出了傳感器接觸7∶1薄膜傳感材料，當經歷了三個100％水蒸氣并用N2作運載氣體的暴露循環(huán)時，傳感器厚度響應的測量，圖17b示出了當暴露在三個50％水蒸氣并用N2作運載氣體的循環(huán)時的傳感器。像以前一樣鐵棒安裝在以及懸臂放置在SFM臺上。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。
對所有試驗一般的趨勢互相一致，含有一個陡峭的初始膨脹相以及在靠近材料飽和點(在700秒)的一個平穩(wěn)相。當暴露在N2下聚合物收縮回接近它的前膨脹水平。每個相繼試驗開始于前面稍微之上的水平。但是對每個試驗的總體差別保持一致，在總體差別中對每個相繼運行僅有輕微的降低。對水蒸氣暴露的厚度響應差別通過從前五個低值的平均值減去最后五個高值的平均值來計算。這降低了任何極端的數據的影響。
三次100％水蒸氣試驗的厚度響應為11.2，9.5和9.5歐姆。對于50∶50的試驗三次響應為5.7，5.5，4.8歐姆。這些差別通過400埃＝1歐姆的比例轉化成距離。100％和50％試驗的薄膜膨脹的中間值分別是3800埃和2200埃。試驗之前通過Dektak機器在一種低濕度環(huán)境中測量的整個薄膜的初始厚度為315000埃(31.5微米)。用原始厚度除膨脹變化并乘以100，計算出膨脹百分數為1.2％(100％水蒸氣)和0.69％(50％水蒸氣)。數據計算總結在下面的表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，暴露在干氮氣，100％水蒸氣，以及正常大氣壓表明在PEO薄膜中產生顯著量的膨脹。這種效應不是隨機地發(fā)生，但是一致于重復暴露在100％和50％水蒸氣中。當暴露于100水蒸氣下厚度增加3800埃，這種效應還是可測的。這是薄膜厚度有1.2％的增加。在50％水蒸氣下的結果是100％下結果的一般，顯示出薄膜敏感度是對應分析物濃度。在循環(huán)分析物蒸氣和干N2下連續(xù)的試驗過程中，觀察到每次循環(huán)的開始點稍微高于下一個并且對每個相繼的運作差值降低。這是由于剩余分析物在薄膜中。更長地暴露于干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。
實例3然后使用一個典型壓電懸臂/萬用表和IDA傳感器/FRA設置與數字處理器連接，進行同時測量PEO薄膜厚度和阻抗變化。然后當傳感器暴露于分析物蒸氣中進行試驗同時測量厚度和阻抗變化，并量化厚度和阻抗之間的變化。第二進行這些實驗確定10Hz和178Hz頻率之間的最大電阻響應，以及響應和溶解度參數之間的關系。
第一研究使用典型傳感器，使用100％水蒸氣進行，并提供阻抗和厚度數據可以同時收集和相關的證據。如所示，由FRA產生的信號是一個178Hz和0.1伏的正弦波。在實驗過程中，降低懸臂并將頭帽放置在傳感器上，在進行測量前使用干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∶干氮氣)的混合下。在5微米水平的表面進行地形和相襯掃描。5微米相位對比掃描如下面所示。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)系成像實驗和厚度與阻抗測量，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構，使得它們膨脹及變得更加導電。
另外，各種濃度的PEO薄膜成像產生的結果顯示出未摻雜，摻有高氯酸鋰，以及重摻雜薄膜之間的結構差異。摻雜的目的是增加薄膜的導電性。在表面上進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行掃描。摻雜水平改變了薄膜中的結構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。在同時厚度和阻抗測量中，阻抗在暴露到分析物中下降，而聚合物膨脹并變得更厚。這導致了以導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構，這增加了薄膜的厚度和導電性。
定量研究結果示于圖19。在相同圖中值的標定適合所有趨勢線。通過對最后5個30-570循環(huán)的平均值，并從0-30秒內的前5個值的平均值減去它們，計算出總體厚度的變化。計算的值為10.6歐姆，轉化成厚度為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°。
該數據系列的試驗5選擇為數學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，以及相移以高低數據的總體差異作為時間的函數。圖21中的圖以線性和立方數學最佳適配相關聯(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。該圖是對稱的，一個線性區(qū)在數據中間。最后一個圖模擬了阻抗變化(歐姆)對厚度(埃)，以線性最佳匹配線Z＝190(歐姆/埃)×T-36000(歐姆)斜率將膨脹的每個埃關聯(lián)到一個阻抗變化(在負方向)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(或者實際的增加是在178Hz的情況下)而改變。相關系數R2＝0.945可以通過限制最佳匹配來對準該圖的線性區(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量。使用一個178Hz的信號頻率完成兩次試驗，使用10Hz頻率完成三次試驗。在每個試驗中傳感器暴露在100％水蒸氣下從0-600秒。然后傳感器暴露在干N2下從600-1500秒。試驗三的例外是允許100％水蒸氣運行直到1200秒。由于FRA數據存儲的約束，在第一個600秒過程中測量阻抗和相移數據。
實驗2的數據同時進行但是為了給出方便分開進行。厚度變化數據示于圖22a。178Hz和10Hz之間的趨勢非常一致。阻抗變化數據示于22b。10Hz數據開始于較高的值約12*105歐姆，在30-60秒的相位處是平坦的。178Hz數據開始于較低的約8.5*105歐姆，在初始的30-60秒相位下阻抗增加。相移數據如圖22c所示。178Hz數據開始于較高的約40度且變化顯著。10Hz數據開始于較低的～3度且只顯示了數值的較小變化。
178Hz下得到的數據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，變化為1.392和1.131*105歐姆，平均值為1.262*105或126600歐姆的高低數值中，計算出阻抗變化。從開始和最后30秒的數據減去高低數值，計算出相移的不同。這返回了11.71和8.80度的數值，均值為10.26度。
10Hz下得到的數據值與178Hz的計算相似，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。阻抗數據顯示了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情形下測量的阻抗有很大不同，10Hz下的信號返回了一個更強烈的響應。然而，厚度值的不同，只是稍微有些不同，需要進一步分析。相移數據表明了178Hz下角度產生了預期的高變化，而10Hz下沒有實際上的變化。下面的表3總結了頻率變化下的不同數據。

第三研究包括在一個有傳感材料(10∶1 PEO∶Li)的傳感器暴露于分析物蒸氣水中，測量厚度和阻抗變化。試驗是在分析物干氮氣為100∶0比率的每種蒸氣下進行的。對于水的試驗，第0-30秒干氮氣暴露于傳感器下，100∶0的混合物30-530秒，再次干氮氣530-4200秒。對于乙醇試驗，第0-30秒干氮氣暴露于傳感器下，乙醇蒸氣100％的混合物30-360秒，再次干氮氣最后的360-2500秒。最后，丙酮實驗暴露循環(huán)為干氮氣第0-30秒，100％的丙酮蒸氣30-420秒，干氮氣240-900秒。循環(huán)在時間上是不同的，依賴于分析物蒸氣被吸收進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標準)、丙酮和n-辛烷蒸氣下三次試驗結果在圖23到26中出示出，在表四和圖27中總結。三次試驗是在每種分析物濃度為100％下完成的。對于每種分析物的每次試驗，從0-30秒干氮氣被吹進頭罩來確定基線厚度和阻抗讀數。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穩(wěn)定，在這點上，認為聚合物完全飽和。最后一個階段又是干氮氣通過傳感器，直到讀數回到基線。三次試驗是在100％水蒸氣、乙醇(190和200標準)、丙酮和n-辛烷下完成的。每種分析物的中間試驗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系進行了圖表上和數學上的模擬。

在檢驗的分析物中，所有試驗都顯示了厚度增加(膨脹)，阻抗下降(增強的導電性)，和相移增加(除了n-辛烷的試驗3)。利用開始五個預暴露的基線點(取得不同值可以產生正值)的均值減去分析物暴露下收集的最后五個數據點均值，計算出厚度、阻抗和相移差異。每種分析物的三次試驗中每一次的中間值確定是可接受的值。每種分析物的數據和溶解度參數、飽和蒸氣壓強在上面的表四已列出。每種有機分析物的三個數據項被標出，包括響應(ΔT，ΔZ和Δ飽和的時間)、恢復時間(回到基線狀態(tài)的時間)和在檢驗過程中出現的任何問題。
在檢驗的分析物中，水(圖23)有最大厚度(12.8Ω，5100)和阻抗(399000Ω)響應，但是到達飽和(30-540秒)時間最長。它還有最長的恢復時間約4200秒或70分鐘。水在溶解度參數(48Mpa1/2)離PEO最遠，有最低的飽和蒸氣壓強(21torr)。
190標準乙醇(圖24)具有第二大厚度(9.4Ω，3800)和阻抗(219000Ω)響應，達到飽和的時間較長(30-420秒)?；謴蜁r間有約1500秒之長。190標準乙醇含有大量水，導致了比純乙醇返回的數值大。因為樣本中水的濃度不知，給出的溶解度參數和飽和蒸氣壓強是一個范圍(表4)，從純乙醇到水。200標準乙醇比190標準乙醇含水少，比對應物(190標準)顯示了較小的厚度(4.3Ω，1700)和阻抗(79100Ω)響應。達到飽和的時間較短，30-330秒?；謴蜁r間與丙酮相當約1000秒。由于較少的含水量，200標準乙醇比190標準乙醇厚度和阻抗變化小，恢復時間更快。
丙酮(圖25)具有最小的厚度(3.8Ω，1500)和阻抗(64300Ω)變化，達到飽和的時間最快(30-240秒)?；謴蜁r間也是最短的，約1000秒。丙酮也具有最高的飽和蒸氣壓強212torr。
對于n-辛烷(圖26)，厚度測量為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。所有響應慢慢達到飽和(30-530秒)?；謴蜁r間范圍從不再恢復到約3000秒(50分鐘)。試驗以大范圍的數值從試驗1降到試驗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，所有的相關系數從0.9到1.00。
水ΔZ＝78(Ω/)ΔT+16000Ω190標準乙醇ΔZ＝58(Ω/)ΔT+4800200標準乙醇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膨脹變化而產生的某種負載位相。這些問題顯示了直到傳感材料達到飽和時，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，傳感材料對于每種分析物響應不同，提供了一個復合的厚度/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/。達到飽和的時間作為額外參數，丙酮和n-辛烷可以容易的區(qū)分，因為相對于n-辛烷的長飽和時間(500秒)，丙酮的飽和時間短(190秒)。這些關系對預測和鑒別氣體很有用。模擬方程給出了對于特殊氣體和濃度的薄膜PEO響應之間的關系。
隨著溶解度參數接近于PEO的值24.2Mpa1/2以及飽和蒸氣壓強的增大，分析物暴露的飽和時間減少。丙酮(20.5Mpa1/2，和212torr)和200標準乙醇(26Mpa1/2和52torr)達到飽和的時間最快，水(48Mpa1/2，溶解度參數離PEO最遠；21torr最低飽和蒸氣壓強)最慢使聚合物達到飽和。在圖28a和28b中，對于溶解度參數，厚度變化和阻抗變化在圖上是相關的，顯示了相同的一般響應曲線。根據本發(fā)明，在示例性試驗進行中的PEO值可能不同于標準值24.2，因為這些試驗中的PEO摻雜了Li+。
實例4盡管上述結果證明根據本發(fā)明的混合傳感器能夠準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樣本中一種特殊分析物的濃度。相應地，進行研究來量化混合傳感器的靈敏度和蒸氣濃度。在暴露于在運載氣體氮氣中濃度為70％、75％、50％和25％分析物蒸氣中的一個典型傳感器中，測量厚度和阻抗變化。利用四種分析物水、乙醇、丙酮和n-辛烷，測量分析物濃度。利用干氮氣，基線厚度和阻抗水平達到后，輸送不同濃度直到傳感器薄膜達到飽和。干氮氣被再次使用直到厚度基線讀數匹配為止。
試驗連續(xù)進行，在表5中總結。計算出每種濃度下，100％蒸氣水平的ΔT和ΔZ的百分數變化。圖29a中，得到了厚度變化對P/Psat(相對于在100％飽和下的濃度的分析物百分比濃度)的圖表和數學模擬。圖29b中，對于丙酮進行附加模擬，確定從100％-25％每個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。
實施例2在該實施例中，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。
制備兩個合成樹脂混合物，一個含有實施例1的油酸和松香(樹脂1)，另一個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>在不同的濃度數據中，顯示了一個明確的趨勢。對于所有四種分析物，隨著蒸氣百分比濃度的降低，厚度響應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系以相關系數接近于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于樣本中一種特定分析物濃度的數量信息。N-辛烷是唯一的例外，其線性匹配有一個弱的相關系數0.6351，將與指數曲線達到最佳匹配。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(100％，60％，17％到3％)。N-辛烷又一次成為例外，因為其厚度或阻抗變化都不遵從25％階的線性降低。這次研究的結果在表5中總結。
圖29b模擬了不同濃度下薄膜傳感材料的響應。每種濃度有一個不同的最優(yōu)線性匹配，每次試驗的斜率是不同的。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/。完全飽和的百分數分別為100％，55％，40％和17％。這不符合線性降低趨勢。但是，如果我們采用丙酮的中間試驗方程(在早先100％濃度的試驗中ΔZ＝33ΔT+4700)，斜率值為33Ω/，百分數計算變化來適合線性降低趨勢100％，67％，49％和20％。模擬方程在下面的表6中總結，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，傳感器對分析物蒸氣的百分比濃度顯示出了靈敏性。厚度對時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P/Psat表明了所試驗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系。隨著分析物濃度的增加，厚度響應也增加。
N-辛烷是一個例外，0.6351的低相關系數表明了一種不好的最優(yōu)線性匹配。從100％到25％濃度下進行的試驗表明了厚度變化中一個更好的指數匹配。這種線性偏移可能是因為n-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電區(qū)域的粘合和填充可能會造成薄膜膨脹缺乏恢復，減小的響應和小的阻抗變化。
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％(直接關系)。隨著蒸氣百分比濃度降低，ΔZ/ΔT以相等的數量變化。
數學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，本申請者已經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根據本發(fā)明的混合傳感器確定。
使用這些典型關系，本發(fā)明的混合傳感器可以用于不但是鑒別，而且可以量化一個樣品中的未知分析物。應該理解盡管在上面的實例中描繪了示例性傳感器，分析物，和關系，這些僅僅作為本傳感器功效的證據而提供，以及可以對任何傳感器確定和計算同樣類型的關系，該傳感器的結合適合同時測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。
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，在加熱聚合物時薄膜改變到液體凝膠狀態(tài)并不會返回固態(tài)。對阻抗進行測量并示于圖31a-31c，在無定形材料中示出了對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例中僅僅使用了單探測器，對于增大的分辨能力(不同氣體之間區(qū)別的能力)，還可以使用一個多聚合物陣列探測器。在這樣一個實施例中，多有機物傳感器，每一個或多或少對某些類分析物蒸氣敏感，可以連接到一起。每個單個傳感器的響應數據和剩下的相關，提供了一個更大和更多樣化的數據系列。當該數據系列比較于以前的已知氣體的測量數據，就可以確定檢驗的氣體的身份和濃度。
可以構建一個聚合物探測器陣列，分析數據并繪制在一個3-D主要支空間，對每個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特性，而且沿著群集長度的一個點顯示了該氣體的濃度。這些長的群集可以作為每一種氣體的一個有效“指紋”。對未知氣體獲得的指紋數據可以比較于已經存儲的氣體指紋，以尋求特性和濃度的匹配。傳感器數目的增加將導致系統(tǒng)分辨能力的提高。在另一個典型實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和更精確地確定分析物或被探測的分析物，可以放置多個傳感器與傳感材料接觸。
本發(fā)明者已經設計了一個混合傳感器，可以準確和一致地鑒別不同有機分析物變化的濃度。這可以通過同時測量和比較傳感材料薄膜的厚度變化及阻抗變化而獲得。該傳感器對不同溶解度參數的分析物敏感。使用關聯(lián)在一起的厚度和阻抗變化已經導致了分析物區(qū)分水平的提高。使用數學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，該有機分析物蒸氣的特性和當前濃度可以同時鑒別出來。
在該點應該強調，本發(fā)明并不局限于上面所示及所描述的典型實施例。相反地，本發(fā)明目的是為了涵蓋包括使用一個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分析物的情況下，來測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。將會評價本領域的技術人員將能夠設計各種安排，盡管沒有在此明確描述或示出，卻體現了本發(fā)明的原理并包括在它的精神和范圍之內。進一步，所有的實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)明者貢獻以深化本領域，并被解釋為不局限于這些特殊列舉的實例和條件。而且，在此列舉本發(fā)明的原理、方面和實施例及其特殊實例的所有陳述，是為了包含它的結構和功能等價物。另外，這種等價物包括當前已知的等價物和將來要發(fā)展的等價物，即，任何發(fā)展的具有同樣功能的元件而不管其結構。因此，本發(fā)明的范圍不局限于在此所示和描述的典型實施例。相反本發(fā)明的范圍和精神由附加權利要求書所體現。
權利要求
1.用于探測至少一種分析物的混合傳感器，包括一種傳感材料，對至少一種分析物的存在至少具有體積和阻抗響應；至少一個探測器，電學上和物理上與所述傳感材料接觸，以測量該傳感材料的體積和阻抗響應；以及一個分析儀，用于關聯(lián)所述體積和阻抗響應來至少確定至少一種分析物的身份。
2.如權利要求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.如權利要求1的混合傳感器，其中所述探測器包括一個信號分析儀以便于測量所述傳感材料的阻抗。
4.如權利要求1的混合傳感器，其中所述探測器包括一個頻率分析儀，用于測量所述傳感材料的阻抗。
5.如權利要求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阻抗。
6.如權利要求1的混合傳感器，其中所述探測器包括一個含有一個偏轉臂的微懸臂傳感器，偏轉臂響應傳感材料厚度變化而偏轉。
7.如權利要求6的混合傳感器，其中偏轉臂包括至少一個可測物理屬性，當所述的臂偏轉時發(fā)生變化，以及在所述至少一個可測物理屬性中，所述探測器進一步適合測量其變化。
8.如權利要求6的混合傳感器，其中所述探測器包括一個轉換器，適合于將所述偏轉臂的偏轉轉換成一個可測的電信號。
9.如權利要求6的混合傳感器，其中所述偏轉臂包括形成于其中和其上的壓阻部件，以及所述探測器包括一個電路，適合測量所述壓阻部件由于所述偏轉而產生的電阻變化。
10.如權利要求9的混合傳感器，其中所述壓阻部件包括鈦酸鋇。
11.如權利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料淀積在一個另外的襯底上。
12.如權利要求6的混合傳感器，其中所述傳感材料形成在一個表面上，所述偏轉臂物理上接觸所述傳感材料，并在靜止位置時基本上平行于所述表面。
13.如權利要求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傳感器，在暴露所述至少一種分析物中經受了阻抗和體積改變。
14.如權利要求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果體積上和電學上發(fā)生改變。
15.如權利要求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襯底上的一種功能性DNA線束。
17.如權利要求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DNA。
18.如權利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括至少一個聚合物矩陣材料，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.如權利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括至少一個分析物敏感摻雜劑，選自乙酸鎳，Pd，Pt，和高氯酸鋰。
20.如權利要求1的混合傳感器，其中所述傳感材料包括形成在一個表面上的一種分立淀積物材料。
21.如權利要求6的混合傳感器，其中所述偏轉臂包括氮化硅作為它的一個元件。
22.如權利要求1的混合傳感器，其中所述至少一個分析物包括在一種氣體介質和一種液體介質中之一。
23.如權利要求6的混合傳感器，其中所述偏轉臂包括厚度范圍為10微米到50微米，寬度范圍為25微米到75微米，長度范圍從100微米到200微米。
24.如權利要求6的混合傳感器，其中所述探測器適合于測量所述偏轉臂的偏轉程度。
25.如權利要求1的混合傳感器，其中所述探測器測量在頻率0.01Hz-65kHz之間的傳感材料的阻抗。
26.如權利要求1的混合傳感器，其中所述探測器測量在頻率10Hz-178Hz之間的傳感材料的阻抗。
27.如權利要求1的混合傳感器，其中所述探測器測量在電壓0.01-0.1伏之間的傳感材料的阻抗。
28.如權利要求1的混合傳感器，其中所述分析物是一種可揮發(fā)有機材料。
29.用于探測分析物的一種混和傳感器陣列，包括在一個表面上形成的多個分立傳感材料，每個傳感材料在存在至少一種分析物下經受阻抗和體積的改變；相應的多個探測器，每個單個探測器電學上和物理上與至少一個所述分立傳感材料接觸，以測量該至少一個分立傳感材料的體積和阻抗響應；以及一個分析儀，用于關聯(lián)所述體積和阻抗響應來至少確定至少一種分析物的身份。
30.如權利要求29的混合傳感器陣列，其中每個傳感材料與其它傳感材料不同。
31.如權利要求29的混合傳感器陣列，其中所述分析儀進一步確定每個分析物的濃度。
32.如權利要求29的混合傳感器陣列，其中每個傳感材料響應不同分析物的存在而經歷體積變化。
33.如權利要求29的混合傳感器陣列，其中每個探測器包括一個含有偏轉臂的微懸臂傳感器，偏轉臂與傳感材料物理上接觸。
34.如權利要求33的混合傳感器陣列，其中每個微懸臂包括接觸所述偏轉臂的一個壓阻元件。
35.如權利要求34的混合傳感器陣列，其中由于在所述相應的傳感材料中體積變化，作為偏轉臂偏轉的結果，每個所述壓阻元件經受電阻的變化，每個探測器進一步包括一個測量壓阻元件電阻的電路。
36.如權利要求33的混合傳感器陣列，其中每個所述偏轉臂包括至少一個可測物理屬性，當所述的臂偏轉時發(fā)生變化，以及在每個偏轉臂的所述至少一個可測物理屬性中，所述探測器適合測量其變化。
37.如權利要求29的混合傳感器陣列，其中每個所述偏轉臂對不同的分析物進行不同的測量響應。
38.一種探測介質中分析物的方法，包括形成一種傳感材料，在存在所述分析物下至少經受阻抗和體積的響應；提供至少一個探測器，在電學上和物理上接觸所述傳感材料，來測量該傳感材料的體積和阻抗響應；引入一種介質，包括所述分析物到所述傳感材料中，所述介質是液體和蒸氣中的一種；用所述至少一個探測器測量所述體積和阻抗響應；以及分析所述體積和阻抗響應，來至少確定至少一種分析物的身份。
39.如權利要求38的方法，其中所述探測器包括一個可偏轉的微懸臂的臂，物理上接觸所述傳感材料，該可偏轉的微懸臂的臂至少含有一個可測物理屬性，當微懸臂的臂偏轉時發(fā)生變化；以及其中所述測量所述體積響應包括測量所述至少一種可測物理屬性的變化。
40.如權利要求39的方法，其中所述微懸臂的臂包括在其中和其上的一個壓阻部件，以及所述測量包括測量所述壓阻部件由于所述一種偏轉而發(fā)生的阻抗變化。
41.如權利要求39的方法，其中所述微懸臂的臂包括兩個耦合到所述壓阻部件的導電引線，所述測量包括測量兩個導電引線之間的電阻。
42.如權利要求38的方法，其中所述測量包括測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傳感材料的阻抗變化。
43.如權利要求38的方法，其中所述探測器包括一個信號分析儀，以信號聯(lián)系所述傳感材料以測量所述傳感材料的阻抗。
44.如權利要求38的方法，其中所述分析包括確定分析物的濃度。
全文摘要
用于感測在氣體或液體介質中化學和/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)測傳感元件(12)的阻抗和厚度變化。提供了探測方法以測量傳感材料物理屬性的變化，來確定分析物的存在和/或數量。還提供了混合傳感器陣列，用于探測可能包括在介質中的一種特定分析物。
文檔編號G01N29/02GK1714291SQ03817310
公開日2005年12月28日 申請日期2003年6月3日 優(yōu)先權日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 申請人:北亞利桑那大學董事會