The concern over heavy metal ion pollutants and their profound impact on the environment and human health demands the development of robust detection systems. Heavy metal ions pose a significant threat due to their potential imbalance for ecological and adverse health effects. Common detection methods often fall short in terms of sensitivity and selectivity, emphasizing the need for innovative sensing technologies. The proposed Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) resonator utilizes its mass-sensitive properties to provide a highly accurate and reliable platform for heavy metal ion detection. To enhance the sensing capabilities and specificity of the MEMS resonator, an approach involving gold modification and functionalization within the microchannel has been employed. The closed and narrow structure of the microchannel, a common feature in microchannel resonators, presented challenges for conventional gold deposition methods. Overcoming this limitation, electroless deposition emerges as a viable technique for gold coating within the microchannel, hence amplifying the sensor's performance.
In this thesis, the MEMS resonator has been modified and functionalized to optimize mass sensing for heavy metal ions. The electroless gold deposition method was utilized and characterized to ensure gold deposition, contributing to the sensor's sensitivity and selectivity. Experimental results and characterization showcase the modified resonator detecting four heavy metal ions: mercury, lead, copper, and chromium. The resonance measurement was conducted for mercury adsorption, both in step-wise measurement and real-time measurement. The research findings not only contribute to a promising solution to address the challenges associated with heavy metal ion pollution in water environments but also offer an advancement of MEMS-based sensors in terms of internal modification and functionalization. Furthermore, specific functionalization was done to introduce the recognition element to enhance the sensing performances. Surface morphology, chemical characteristics, and mechanical resonance measurements were done to characterize and determine the system's sensing ability. The modified and functionalized devices were able to detect mercury up to 0.1 ppm of concentration. Further development of the sensing platform in terms of dimension and confined structure is expected to enhance the system's sensing ability.
중금속 이온 오염물질과 이것이 환경과 인간 건강에 미치는 심각한 영향에 대한 우려로 인해 강력한 검출 시스템의 개발이 필요합니다. 중금속 이온은 생태학적 및 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 잠재적인 불균형으로 인해 심각한 위협을 초래합니다. 일반적인 감지 방법은 감도와 선택성 측면에서 부족한 경우가 많으므로 혁신적인 감지 기술의 필요성이 강조됩니다. 제안된 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 공진기는 질량에 민감한 특성을 활용하여 중금속 이온 검출을 위한 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 플랫폼을 제공합니다. MEMS 공진기의 감지 기능과 특이성을 향상시키기 위해 마이크로채널 내 금 수정 및 기능화와 관련된 접근 방식이 사용되었습니다. 마이크로채널 공진기의 일반적인 특징인 폐쇄되고 좁은 마이크로채널 구조는 기존 금 증착 방법에 대한 과제를 제시했습니다. 이러한 한계를 극복하여 무전해 증착이 마이크로채널 내에서 금 코팅을 위한 실행 가능한 기술로 등장하여 센서의 성능을 증폭시킵니다.
본 논문에서는 중금속 이온에 대한 질량 감지를 최적화하기 위해 MEMS 공진기를 수정하고 기능화했습니다. 무전해 금 증착 방법을 활용하고 특성화하여 금 증착을 보장함으로써 센서의 감도와 선택성에 기여했습니다. 실험 결과 및 특성화는 수은, 납, 구리 및 크롬의 4가지 중금속 이온을 감지하는 수정된 공진기를 보여줍니다. 공명 측정은 단계별 측정과 실시간 측정 모두에서 수은 흡착으로 수행되었습니다. 연구 결과는 물 환경의 중금속 이온 오염과 관련된 문제를 해결하기 위한 유망한 솔루션에 기여할 뿐만 아니라 내부 수정 및 기능화 측면에서 MEMS 기반 센서의 발전을 제공합니다. 또한 감지 성능을 향상시키기 위해 인식 요소를 도입하기 위해 특정 기능화가 수행되었습니다. 시스템의 감지 능력을 특성화하고 결정하기 위해 표면 형태, 화학적 특성 및 기계적 공명 측정이 수행되었습니다. 수정되고 기능화된 장치는 최대 0.1ppm 농도의 수은을 감지할 수 있었습니다. 차원과 제한된 구조 측면에서 감지 플랫폼의 추가 개발은 시스템의 감지 능력을 향상시킬 것으로 예상됩니다.
