72份973申请书

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纳米尺度效应微微纳纳传传感感器器界面效应特性表征微纳制造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。而且，悬臂梁到了纳米尺度后，其力学、热学和电学等特性有许多尺度效应，以它为载体特别适合进行纳米尺度效应的研究。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，本项目主要进行三方面的研究内容：生化特异性反应在微纳敏感结构上的信息转换机制、微纳敏感结构的纳米尺度模型与可控构筑方法、微纳传感器的超高灵敏检测与识别。其中生化特异性反应在微纳敏感结构上的信息转换机制主要研究如何利用敏感材料将生物量或化学量转换成物理量的问题，这方面将设一个课题；微纳敏感结构的纳米尺度模型与可控构筑方法主要研究微纳传感器的模拟设计、自下而上的制造原理与方法、自上而下的制造原理与方法，为微纳传感器提供模拟设计与制造基础，这方面将分别设三个课题；微纳传感器的超高灵敏检测与识别主要从微纳机电敏感结构、仿生微纳敏感结构和基于碳纳米管的敏感结构出发，研究相关的纳米效应及利用纳米效应研制出超微量快速检测微纳传感器，这方面将分别设三个课题。因此，本项目共设七个课题，其相互之间的关系如下面的框图所示。微/纳器件模型模拟设计自上而下微/纳制造仿生微纳敏感敏感材料与微纳结构的作用自下而上微/纳制造超微量快速检测微纳传感器突发应急传感监测网为微纳器件研究提供基础加快微纳器件的应用进程基于碳纳米管敏感微纳机电敏感突发应急监测国家战略需求上述三方面的具体研究内容如下：生化特异性反应在微纳敏感结构上的信息转换机制：针对目标传感器，采用量子化学理论优化敏感反应效果，在微纳结构上进行表面修饰，将敏感材料固定于微纳结构表面，研究生化特异性反应机理以及生物量和化学量通过界面效应转换成物理量的机制，寻求提高灵敏度的方法，探索提高敏感材料共价交联的固定效率和稳定性方法。研究微纳尺度下界面效应对检测对象的扩散、富集、混合、表面反应等方面的影响，探索有效提高微反应速率的方法。合成筛选出用于炭疽杆菌和沙林等超微量检测的敏感材料。微纳敏感结构的纳米尺度模型与可控构筑方法：进行自上而下微纳制造技术研究。研究基于MEMS的纳米制造技术，探索纳米梁、桥、腔体、探针等典型纳米结构的制造技术；研究加工纳米尺度结构的新方法，主要包括基于刻蚀与腐蚀相结合的纳米结构加工方法，新型侧墙技术，基于聚焦离子束（FIB）等先进手段的纳米尺度局域化处理方法等；研究与纳米材料工艺兼容的微纳制造技术和阵列化微纳结构制造技术以及纳米结构的表征方法；为本项目研制超微量快速检测微纳传感器提供自上而下的微纳加工手段，为进一步研制其他微纳传感器打下工艺基础。进行自下而上微纳制造技术研究。着重发展纳米结构及其器件的“自下而上”构筑新原理和新方法，实现按需构筑纳米结构体系；探索纳米结构生长机理，研究纳米尺度的材料物理化学特性，实现纳米结构可控生长(形态、相结构)；研究纳米结构与敏感性能间的关系，进行纳米结构表面化学、生物的修饰(包括官能团的接枝)，揭示纳米结构新的物理效应及纳米结构单元的物理/化学行为等，研究纳米结构与效应的表征方法，为研制微纳传感器件提供设计思路和制造手段。进行自上而下和自下而上融合的微纳制造技术研究。研究在自上而下方式加工出的微/纳结构（如Si材料微/纳结构）上，进一步利用种子层或过渡层采用自下而上方式操纵、生长或组装纳米尺度结构（如碳纳米管或纳米带等）的方法，再进而研究制作成微纳传感器的工艺集成方法，包括驱动、检测元件的制作及集成工艺、敏感材料与敏感结构的工艺集成方法等。研究应力（应变）和环境温度对微纳尺度材料或结构的电流影响的物理机制及数学模型构建；环境温度与电场渗透对力学性能的影响；微纳结构动态性能的能量耗散机制与数学模型；声子的能量输运特性，结构应变、晶格失配对声子输运的影响；原子级作用模型耦合到连续体模型中的方法；研究微纳结构材料的力电耦合、力热耦合、热电耦合和力热电耦合的模型及跨微纳尺度设计方法。纳米元件与生物大分子的相互作用模型；微纳米结构自组装模拟。微纳传感器的超高灵敏检测与识别：研究生物量与化学量转换为力、质量、热量和电荷等物理量传感过程中的能量转换原理，建立将生化敏感反应转换为电学量表征的传感模型；研究噪声机制对超高灵敏检测的影响因素；探求突破现有分辨限制的方法。研究机电、仿生微纳敏感结构和基于碳纳米管的敏感结构原理和相关的纳米尺度效应及表征方法，以及机械、热学、力学和电学等特性的微纳尺度效应对敏感特性的影响；探索限制敏感分辨极限的机制和表达模型，研究提高传感分辨极限和超微量检测的原理性方法，寻求符合超微量快速检测要求的传感器优化设计原理和结构模型。研究微纳阵列传感中的关键问题，主要包括传感阵列邻近单元间的生化反应、电学信号的相互干扰问题，传感阵列多种敏感材料固化的方法及一致性、重复性问题，阵列与多功能传感器信息融合及解耦等问题。研制出基于机电、仿生结构以及基于碳纳米管的炭疽杆菌、沙林和TNT等系列超微量快速检测微纳传感器，为进一步研究其他微纳传感器提供有较强覆盖能力的具有一定通用性的微纳敏感结构。二、预期目标1．总体目标本项目面向我国社会发展中的突发公共事件应急、环境监测、生化反恐等重大需求，以重要致病病原体（如炭疽杆菌等）、有毒有害化学物质（如沙林等）和烈性爆炸物（如TNT等）等的超微量快速检测为突破口，系统地开展微纳传感器基础研究工作。通过上述超微量快速检测微纳传感器的研究在两方面取得突破，一方面，通过“生物－纳米－信息”（BNI，Bio-Nano-Informatics）的学科交叉融合，在纳米尺度效应、界面效应、纳米尺度下的特性表征和微纳制造等微纳传感器基础研究方面取得突破，为其他微纳器件的研究提供理论、设计、表征和制造基础，推动我国纳米科技从材料研究向器件研究发展；另一方面，针对突发公共事件应急传感预警监测网所急需的超微量快速检测传感器，研制出原型器件，促进我国公共安全从被动应付型向主动保障型转变。同时，还将带动一批高水平研究基地的建设，培养一批微纳器件研究的高水平中青年专业人才。2．五年预期目标针对微纳敏感结构与检测对象的特点，探明相应的生化特异性反应在微纳敏感结构上的信息转换机制和界面效应，提出在微纳敏感结构上形成敏感膜的方法，建立生化敏感膜超微量响应性能的评价方法，合成筛选出5种以上特异性强的敏感材料，满足阵列微纳传感器超微量快速检测重要致病病原体（如炭疽杆菌等）和有毒有害气体（如沙林等）的要求，达到空气中10-4mg/L量级沙林的检测水平。根据本项目所研究的目标传感器对纳米结构的设计要求，实现按需构筑；开拓拥有自主知识产权的纳米结构及其器件的构筑技术，发展纳米敏感结构与器件“自下而上”构筑的新原理和新方法，提出相应的表征方法，构筑的纳米结构单元尺寸一致性优于90%，为深入的功效研究和原理性器件系统的集成提供所需的基础。为研制超微量检测微纳传感器提供设计思路和制造手段。针对几类典型并具有相对普适性的微纳敏感结构，解决自上而下及其它组合方式下微纳敏感结构的实现问题，发展具有自主知识产权的基于自上而下方式的微纳制造及自上而下与自下而上融合的微纳制造新原理新方法，提出相应的表征方法，其宽度或厚度特征尺寸为10～100纳米，为研制微纳传感器提供制造基础。提出微纳结构或材料的力学、热学及其耦合模型、算法及其跨微纳尺度的设计方法。在理论上能够较精确的分析微纳结构力学、热学及其耦合特性。初步考察结构的尺度、界面、表面粗糙度对性能的影响；建立描述界面、表面粗糙度、结构尺寸的电学、力学、热学及其耦合数学模型。初步建立纳米结构与生物大分子的相互作用模型，