CN104724661A - 一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构及其应用，以具有三维微纳米结构的模板，在模板表面上沉积修饰材料，得到微纳米量级的三维多层微纳米双材料微梁复合结构，利用所述的三维多层微纳米双材料微梁复合结构来实现高灵敏度的传感与探测，具体包括以下步骤：(1)利用三维多层微纳米双材料微梁复合结构对外加信号进行探测：修饰材料在外加信号激发下产生响应，引起结构所具有的光、电、磁性能发生改变，(2)通过仪器对修饰材料性能的变化进行测试，实现对外加信号的灵敏传感与探测。与现有技术相比，本发明具有灵敏度高，反馈信号容易分析等优点，可在信号探测，成像等领域进行广泛应用。

Description

一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构及其应用

技术领域

本发明涉及一种双材料微梁结构，尤其是涉及一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构及其应用，属于传感探测领域。

背景技术

双材料微梁结构作为微机械类传感体系因其操作简单、检测精度高等优点在很多检测领域都有应用。以红外探测的应用为例，在红外光的照射下，材料的温度发生变化，而构成微梁的两种材料因具有不同的热膨胀系数会产生热应力，导致结构发生弯曲变形，利用光杠杆的原理通过测量入射可见光光束的偏转即可以实现高敏红外探测。然而，这种基于光杠杆原理的光学读出方法不适于大阵列的微梁变形读出。此外，目前所报导的微梁材料大多仍基于单层结构设计，真正意义上的三维多层微梁结构还未有报导。并且，由于目前双材料微梁受单层设计的限制，为达到高灵敏的红外响应，所制备的微梁结构一般在几十微米数量级左右，从而导致了红外探测的空间分辨率不高，限制了其在实际应用中的进一步发展。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构及其应用。

本发明利用自然界或人工制备的具有光学特性的三维多层精细结构为模板，通过物理气相沉积对其进行修饰，得到三维空间上的双材料多层微梁结构。对于红外探测的应用，由于红外光的热效应，造成热膨胀系数不同的材料产生不同的变形，从而造成结构在二维平面的弯曲变形，这种二维变形在三维空间上进行叠加就会造成体系整体光学效果的改变，从而实现对红外信号的灵敏响应。这不仅为提高红外探测器的性能提供了新的结构，而且直接可将看不见的红外信号转换为可见光的信号进行输出，从而也大大降低了体系的电噪声和噪声等效温差。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构，以具有三维微纳米结构的模板，在模板表面上沉积修饰材料，得到微纳米量级的三维多层微纳米双材料微梁复合结构。

具有三维微纳米结构的模板包括原态生物模板、改性原态生物模板及人工制备的三维结构模板。

所述的原态生物模板为利用多层结构干涉产生结构色的生物模板，包括蝴蝶翅膀、甲壳虫、贝壳或鸟类羽毛；

所述的改性原态生物模板是指对原态生物模板加以物理和/或化学方法修饰之后所得到的模板，其中，物理方法包括离子刻蚀、物理溅射、热蒸发或电子束沉积，化学方法包括化学刻蚀、化学气相沉积或原子层气相沉积；

所述的人工制备的三维结构模板是指通过人工方法得到的多层膜结构、光子晶体以及由生物模板复制所得到的模板，其中，人工方法包括光刻、旋涂、复制、自组装或选择性刻蚀。

所述的沉积方法包括物理溅射、热蒸发、电子束沉积、电弧等离子体镀、离子镀膜、分子束外延、化学气相沉积或原子层气相沉积。

所述的修饰材料包括金属、陶瓷、半导体或聚合物。

一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构的应用，利用所述的三维多层微纳米双材料微梁复合结构来实现高灵敏度的传感与探测，具体包括以下步骤：

(1)利用三维多层微纳米双材料微梁复合结构对外加信号进行探测：修饰材料在外加信号激发下产生响应，引起结构所具有的光、电、磁性能发生改变；

(2)通过仪器对修饰材料性能的变化进行测试，实现对外加信号的灵敏传感与探测。

所述的外加信号为光、热、电、磁、化学信号或生物信号。

所述的化学信号为化学物质成分的改变或浓度变化；

所述的生物信号为生物物质的成分变化或浓度改变。

修饰材料在外加信号激发下产生响应包括体积变化、结构变化、光性能变化、电性能变化或磁性能变化。

所述的光性能变化为光信号强度变化或光波波长位移，其中光信号指吸收光信号、反射光信号或投射光信号，光信号范围包括紫外光、可见光及红外光；

所述的电性能变化为电压、电流、电阻或电容的变化；

所述的磁性能变化为磁场强度或方向的改变。

以红外探测的应用为例，三维多层微纳米双材料微梁复合结构利用其层状结构变形在三维空间上叠加造成光学现象的变化，达到红外探测的目的。该三维多层微纳米双材料微梁复合结构在红外信号激发下产生温度变化，引起结构所组成的两种材料对温度的不同热膨胀效应，产生结构的局部弯曲变形。当局部弯曲在三维尺度上进行叠加就会造成整体光学效果的改变，从而实现对红外信号的灵敏探测与可见光输出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)相比传统的单层双材料微梁结构，本发明的三维多层微纳米双材料微梁复合结构实现了双材料微梁结构在三维空间的多层叠加，大大提高了探测灵敏度。

(2)由于结构在三维空间的延伸，使得二维尺寸得以减小，为进一步提高体系探测的空间分辨率提供了可能。

(3)本发明可以做到结构和组成的可调性，为体系传感与探测性能的优化提供了条件。

(4)将不可见的外加信号转换为可见光信号的直接光学读出，反馈信号容易分析，大大降低了体系的电噪声和噪声等效温差。

(5)该结构可用于无能耗、便携式、高灵敏度的信号探测领域，并可将其应用推广至成像领域。

附图说明

图1为三维多层微纳米双材料微梁复合结构与单层双材料微梁结构对外加信号感应示意图；

图2中(a)为原始蝶翅的透射电镜截面图，(b)为层状结构末端镀金的蝶翅的透射电镜截面图；

图3为夜光白闪蝶的镀金修饰后的蝶翅及原始蝶翅的红外响应图；

图4为尖翅蓝闪蝶的镀金修饰后的蝶翅及原始蝶翅的红外响应图。

具体实施方式

以红外探测的应用为例，该三维多层微纳米双材料微梁复合结构在红外信号激发下产生温度变化，引起结构所组成的两种材料对温度的不同热膨胀效应，产生结构的局部弯曲变形。当局部弯曲在三维尺度上进行叠加就会造成整体光学效果的改变，从而实现对红外信号的灵敏探测与可见光输出，如图1(b)所示，探测灵敏度很高。而单层双材料微梁结构的探测性能如图1(a)所示，探测灵敏度较差。

下面结合附图和具体实施例，利用气相沉积方法在两种闪蝶(夜光白闪蝶和尖翅蓝闪蝶)的三维多层微纳米结构上选择性沉积一定厚度的金为例对本发明进行详细说明。

实施例1

从图2(a)可以清晰的看到，组成夜光白闪蝶微结构为“圣诞树”状，结构的片层长度从上到下逐渐增长。将蝴蝶翅膀具有结构色的一面朝向气相沉积方向，且使蝴蝶翅膀所在的平面与沉积方向垂直。选择与蝴蝶翅膀热膨胀系数相差较大的金作为沉积材料，利用热蒸发的方法沉积厚度为50纳米的金。修饰结果表明每层结构末端被选择性地镀上了金材料，如图2(b)。将修饰后的蝴蝶翅膀在室温下进行红外信号的探测实验，响应结果如图3(a)所示，金修饰后的夜光白闪蝶蝶翅的反射光在红外信号作用下强度下降。

比较例1

选取未加修饰的夜光白闪蝶翅膀作为比较例，同样在室温下进行红外信号探测实验，响应结果如图3(b)所示，未修饰的夜光白闪蝶蝶翅的反射光在红外信号作用下强度不变。

实施例2

同实施例1，选取尖翅蓝闪蝶的翅膀进行选择性修饰，在其层状结构边缘选择性镀上50nm金材料。将修饰后的蝴蝶翅膀在室温下进行红外信号探测实验，响应结构如图4(a)所示，金修饰后的尖翅蓝闪蝶蝶翅的反射光在红外信号作用下强度下降。

比较例2

选取未加修饰的尖翅蓝闪蝶翅膀作为比较例，同样在室温下进行红外信号探测实验，响应结果如图4(b)所示，未修饰的尖翅蓝闪蝶蝶翅的反射光在红外信号作用下强度不变。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构，其特征在于，以具有三维微纳米结构的模板，在模板表面上沉积修饰材料，得到微纳米量级的三维多层微纳米双材料微梁复合结构。

2.根据权利要求1所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构，其特征在于，具有三维微纳米结构的模板包括原态生物模板、改性原态生物模板及人工制备的三维结构模板。

3.根据权利要求2所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构，其特征在于，所述的原态生物模板为利用多层结构干涉产生结构色的生物模板，包括蝴蝶翅膀、甲壳虫、贝壳或鸟类羽毛；

所述的改性原态生物模板是指对原态生物模板加以物理和/或化学方法修饰之后所得到的模板，其中，物理方法包括离子刻蚀、物理溅射、热蒸发或电子束沉积，化学方法包括化学刻蚀、化学气相沉积或原子层气相沉积；

所述的人工制备的三维结构模板是指通过人工方法得到的多层膜结构、光子晶体以及由生物模板复制所得到的模板，其中，人工方法包括光刻、旋涂、复制、自组装或选择性刻蚀。

4.根据权利要求1所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构，其特征在于，所述的沉积方法包括物理溅射、热蒸发、电子束沉积、电弧等离子体镀、离子镀膜、分子束外延、化学气相沉积或原子层气相沉积。

5.根据权利要求1所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构，其特征在于，所述的修饰材料包括金属、陶瓷、半导体或聚合物。

6.一种如权利要求1所述的三维多层微纳米双材料微梁复合结构的应用，其特征在于，利用所述的三维多层微纳米双材料微梁复合结构来实现高灵敏度的传感与探测，具体包括以下步骤：

(1)利用三维多层微纳米双材料微梁复合结构对外加信号进行探测：修饰材料在外加信号激发下产生响应，引起结构所具有的光、电、磁性能发生改变；

(2)通过仪器对修饰材料性能的变化进行测试，实现对外加信号的灵敏传感与探测。

7.根据权利要求6所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构的应用，其特征在于，所述的外加信号为光、热、电、磁、化学信号或生物信号。

8.根据权利要求7所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构的应用，其特征在于，所述的化学信号为化学物质成分的改变或浓度变化；

所述的生物信号为生物物质的成分变化或浓度改变。

9.根据权利要求6所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构的应用，其特征在于，修饰材料在外加信号激发下产生响应包括体积变化、结构变化、光性能变化、电性能变化或磁性能变化。

10.根据权利要求9所述的一种三维多层微纳米双材料微梁复合结构的应用，其特征在于，所述的光性能变化为光信号强度变化或光波波长位移，其中光信号指吸收光信号、反射光信号或投射光信号，光信号范围包括紫外光、可见光及红外光；

所述的电性能变化为电压、电流、电阻或电容的变化；

所述的磁性能变化为磁场强度或方向的改变。