CN101587099B - 表面声波感测器的制作方法 - Google Patents

表面声波感测器的制作方法 Download PDF

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Abstract

一表面声波感测器制作方法，包括以下步骤：在一压电基材表面镀一感测材料层；采用紫外线基纳米压印方法在该感测材料层表面制作预定图案；在镀该感测材料层的步骤之前或在该感测材料层表面制作预定图案之后，在压电基板表面的位于该感测材料层的相对两侧形成输入叉指电极和输出叉指电极，得到一表面声波感测器。

Description

表面声波感测器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种表面声波感测器的制作方法。
背景技术
随着生活水平的提升，人们越来越重视环境质量的管理，各式各样的感测器产品开始因应而生，其中，表面声波感测器由于灵敏度高、可靠性高，体积轻巧以及低廉的价格等优势，被大量的开发成许多感测器元件(请参见P3K-3 Surface Acoustic Waves in an Infinite Plate of Functionally GradedMaterials，Ultrasonics Symposium，2006.IEEE，2-6Oct.2006，Page(s)：2242-2245)。例如：用于侦测空气粒子的气体感测器、检测水溶液的液体感测器、用于测量环境因子的压力、温度、湿度感测器，以及使用于生物体上的各类生物感测器等。该等感测器配合特定的感测薄膜，可在功能与待测目标物上做更进一步的细分。
表面声波感测器包括一压电基材、设置于压电基材表面的输入叉指电极(Interdigital Transducers，IDT)、输出叉指电极以及设置于压电基材表面且位于输入叉指电极与输出叉指电极之间的感测薄膜，该感测薄膜用于吸附气体或液体中的微量待测分子。当在输入叉指电极加上交流信号后，压电基材因逆压电效应产生应变，将电能转为声波能，进而产生表面声波，经由压电基材的压电材料传递声波能至输出叉指电极，再通过正压电效应将声波信号转为电信号输出，以提供给外部仪器精确地解读感测薄膜表面上的信号的变化情形。当表面声波传播至压电基材时，感测薄膜的吸附造成感测薄膜上微量的质量改变，由于质量加载效应(mass loading effect)影响，通过吸附特定气体的感测薄膜的声波能，将会改变其原先的传播特性，而使得声波的相位速度与衰减量产生某程度的漂移量，侦测这些谐振频率的漂移信号即可定量分析其吸附在压电材料表面的待测分子浓度。
感测薄膜通常采用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)形成于压电基材表面，然而，这种方法易造成感测薄膜表面不均匀，且与待测物接触面积较小。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种感测薄膜表面均匀且与待测物接触面积较大的表面声波感测器的制作方法。
一表面声波感测器制作方法，包括以下步骤：提供一压电基材，其表面形成有输入叉指电极和输出叉指电极；在输入叉指电极与输出叉指电极之间的压电基材表面镀一感测材料层；采用紫外线基纳米压印方法在该感测材料层表面制作预定图案，以形成感测薄膜，得到一表面声波感测器，该紫外线基纳米压印方法包括以下步骤：在该感测材料层表面涂布一层有机过渡层，在该有机过渡层的表面涂布一层压印层，该压印层为具有紫外固化性质的高分子材料或有机溶液，提供一纳米压印模仁，该纳米压印模仁包括一基片及设置于基片表面的多个凸起，该多个凸起组成该预定图案，该多个凸起之间形成有空腔，将该模仁的多个凸起对准该压印层，并向该压印层移动，使该压印层的材料充满该多个凸起之间的空腔，利用紫外光束照射该压印层，使压印层固化，脱模，移走该模仁，除去残留在该压印层凹下去部分的材料及对应于该凹下去部分的有机过渡层，将该有机过渡层所形成的图案转移至该感测材料层，及去除该感测材料层表面的该压印层和有机过渡层的残余部分，得到具有预定图案的感测薄膜。
相对于现有技术，该表面声波感测器的制作方法采用纳米压印方法在感测材料层表面形成的预定图案的精度可达到纳米级，因此可使感测薄膜表面均匀；且由于感测薄膜表面形成之图案尺寸精度为纳米级，可使其与待测物质具有较大的接触面积，提高感测效率及精度。另外，利用纳米压印方法形成感测薄膜制程简单，适用于批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例表面声波感测器的制作方法的流程图。
图2是表面形成有叉指电极的压电基材的立体示意图。
图3是表面形成有叉指电极和感测材料层的压电基材的立体示意图。
图4是图1的制作方法中感测薄膜形成方法的过程示意图。
图5是由图1所示方法所制作的表面声波感测器的立体示意图。
图6是图1中的制作方法中感测薄膜另一种形成方法的过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明实施例提供一种表面声波感测器的制作方法，其包括以下步骤：
步骤102：在一压电基材表面形成输入叉指电极和输出叉指电极；
步骤104：在输入叉指电极与输出叉指电极之间的压电基材表面镀一感测材料层；
步骤106：采用纳米压印方法在感测材料层表面制作预定图案，以形成感测薄膜，得到一表面声波感测器。
请参阅图2至图5，该表面声波感测器的制作方法具体如下所述：
请参阅图2，在步骤102中，提供一压电基材20，该压电基材20可以为一压电基板，也可以为形成于基板表面的压电膜层，本实施例中，压电基材20为一压电基板。压电基材20呈长方体形状，其由压电材料制成，该压电材料可为但不限于以下几类：单晶类，如石英(quartz)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等；薄膜类，如氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)；陶瓷类，如钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等；聚合物类，如聚偏氟乙稀(PolyvinylideneFluoride，PVDF)。
该压电基材20的表面形成一输入叉指电极22和一输出叉指电极24，该输入叉指电极22和输出叉指电极24可由微影蚀刻或微机电制程等方法制作于压电基材20的表面。
请参阅图3，在步骤104中，在输入叉指电极22与输出叉指电极24之间的压电基材20表面镀一感测材料层26，该感测材料层26可采用但不限于溅镀法形成于压电基材20的表面，该溅镀法包括辉光放电、磁控溅镀、射频溅镀、反应性溅镀、回旋波溅镀等。
感测材料层26的材料选择取决于其所感测的物质，如感测紫外光线时可采用氧化锌(ZnO)，感测氢气时可采用氧化锌或钯(Pd)，感测一氧化碳时可采用二氧化锡(SnO2)。
请参阅图4，在步骤106中，采用一种纳米压印方法在感测材料层26表面制作预定图案，以形成感测薄膜，本实施方式为采用热压式纳米压印方法，采用热压式纳米压印方法在感测材料层26表面形成预定图案的过程如下：
请参阅图4(a)和图4(b)，在感测材料层26表面涂布一层高分子材料层28，并加热该高分子材料层28，加热温度高于该高分子材料层28的玻璃转化温度，以使高分子材料层28软化。此步骤的加热温度不宜过高，否则会延长模压周期。本实施例中，该高分子材料层28的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)，其玻璃转化温度为104℃，则此步骤的加热温度可以为105℃至110℃。
请参阅图4(c)，提供一纳米压印模仁30，该纳米压印模仁30包括一基片302及多个凸起304，该多个凸起304设置于该基片302的表面且与基片302一体成型。多个凸起304组成一预定图案，用于压印高分子材料层28，以在高分子材料层28表面形成与该多个凸起304相对应的图案，本实施例中，该凸起304为圆柱状。模仁30的材料通常具有如下性质：高硬度、大压缩强度、大抗拉强度，如此则可以减少模仁30的变形和磨损；高热导率和低热膨胀系数，使得在加热过程中模仁30的热变形很小。模仁30通常用采用硅，氧化硅，氮化硅、金刚石等材料制成。凸起304的尺寸精度可达到10纳米。
将该模仁30的多个凸起304对准高分子材料层28，并对高分子材料层28施加压力，使高分子材料层28充满该多个凸起304之间的空腔。
模压过程结束后，高分子材料层28冷却到其玻璃转化温度以下，以使图案化的高分子材料层28固化，提供足够大的机械强度。
脱模，移走该模仁30，至此，该多个凸起304的图案形成于高分子材料层28。
请参阅图4(d)，经过上述步骤后，原高分子材料层28被压得凹下去的那些部分便成了极薄的残留高分子材料层，利用各向异性反应离子刻蚀方法将该残留高分子材料层去除。
请参阅图4(e)，将高分子材料层28所形成的图案转移至该感测材料层26。本实施例中，该转移方法为刻蚀(etch)方法，即以上一步骤中形成的图案化的高分子材料层28为掩模，对感测材料层26进行选择性刻蚀，从而将上述凸起所形成的图案转移至感测材料层26。可以理解，本步骤还可以采用剥离(strip)工艺来转移图案，并不限于本实施例。
请参阅图4(f)及图5，去除感测材料层26表面残余的高分子材料层28，得到一图案化的感测薄膜32。至此，一表面声波感测器40制作完成。本实施例中，形成的感测薄膜32的图案为阵列式排列的圆形孔，该圆形孔的径向截面大小与凸起304的径向截面大小相同。可以理解，该图案也可以根据实际需要设定。
另外，形成该输入叉指电极22及输出叉指电极24的步骤也可以与形成感测薄膜32的步骤互换，并不限于本实施例。
请参阅图6，为本发明实施例中在感测材料层26表面形成预定图案的另一种实施方式，本实施方式采用紫外线基纳米压印方法，其具体过程如下：
请参阅图6(a)和图6(b)，在感测材料层26表面涂布一层有机过渡层42，该有机过渡层42的厚度较薄，有机过渡层42由有机材料制成，如PMMA。该有机过渡层42一般采用旋涂法涂布于感测材料层26的表面。
请参阅图6(c)，在该有机过渡层42的表面涂布一层压印层44，该压印层44一般为在室温下具有很好流动性的高分子材料或有机溶液等，且该压印层44具有紫外线固化的性质，如紫外固化有机硅溶液。
请参阅图6(d)和图6(e)，提供一纳米压印模仁46，该纳米压印模仁46包括一基片462及多个凸起464，该多个凸起464设置于该基片462的表面且与基片462一体成型。该多个凸起464形成一预定图案，该多个凸起464之间形成空腔。模仁46可采用石英玻璃或聚二甲基硅氧烷等材料制成，凸起464的尺寸精度可达到20纳米。
将模仁46的多个凸起464对准压印层44，并向压印层44移动，使压印层44的材料充满该多个凸起464之间的空腔。
利用紫外光束48照射压印层44，使压印层44固化。
脱模，移走该模仁30，至此，该多个凸起464的图案形成于压印层44。
请参阅图6(f)和图6(g)，利用卤素刻蚀、反应离子刻蚀等方法除去压印层44凹下去部分的材料以及对应于该凹下去部分的有机过渡层42。
请参阅图6(h)，将有机过渡层42所形成的图案转移至该感测材料层26。本实施例中，该转移方法为刻蚀方法，即以上一步骤中形成的图案化的压印层44和有机过渡层42为掩模，对感测材料层26进行选择性刻蚀，从而将上述凸起所形成的图案转移至感测材料层26。可以理解，本步骤还可以采用剥离技术来转移图案，并不限于本实施例。
请参阅图6(i)，去除感测材料层26表面残余的压印层44和有机过渡层42，得到如图5所示的图案化的感测薄膜32。
可以理解，形成感测薄膜32的方法也可以采用其它纳米压印技术，并不限于本实施例。
相对于现有技术，本实施例采用纳米压印方法制作感测薄膜32，由于感测薄膜32表面形成纳米级尺寸精度的预定图案，因此可使感测薄膜32表面均匀，且由于感测薄膜32表面形成有纳米级精度图案，可使其与待测物质具有较大的接触面积，提高感测效率及精度。另外，利用纳米压印方法形成感测薄膜制程简单，适用于批量生产。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一表面声波感测器制作方法，包括以下步骤：
在一压电基材表面镀一感测材料层；
采用紫外线基纳米压印方法在该感测材料层表面制作预定图案；及
在镀该感测材料层的步骤之前或在该感测材料层表面制作预定图案之后，在压电基板表面的位于该感测材料层的相对两侧形成输入叉指电极和输出叉指电极，得到一表面声波感测器；
其中，采用紫外线基纳米压印方法在该感测材料层表面制作预定图案包括步骤：
在该感测材料层表面涂布一层有机过渡层，
在该有机过渡层的表面涂布一层压印层，该压印层为具有紫外固化性质的高分子材料或有机溶液，
提供一纳米压印模仁，该纳米压印模仁包括一基片及设置于基片表面的多个凸起，该多个凸起组成该预定图案，该多个凸起之间形成有空腔，
将该模仁的多个凸起对准该压印层，并向该压印层移动，使该压印层的材料充满该多个凸起之间的空腔，
利用紫外光束照射该压印层，使压印层固化，
脱模，移走该模仁，
除去残留在该压印层凹下去部分的材料及对应于该凹下去部分的有机过渡层，
将该有机过渡层所形成的图案转移至该感测材料层，及
去除该感测材料层表面的该压印层和有机过渡层的残余部分，得到具有预定图案的感测薄膜。
2.如权利要求1所述的表面声波感测器制作方法，其特征在于，该感测材料层为氧化锌、钯或二氧化锡。
3.如权利要求1所述的表面声波感测器制作方法，其特征在于，该压印层的材料为紫外固化有机硅溶液。
4.如权利要求1所述的表面声波感测器制作方法，其特征在于，将该有机过渡层所形成的图案转移至该感测材料层的方法为刻蚀方法或剥离方法。
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