CN101868718B - 用于电离室的电极以及制造该电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电离室的电极以及包括电极的电离室，其中，所述电极包括：包括第一材料的衬底，以及从衬底延伸出来并通过处理衬底的第一材料而制造的多条纳米线。

Description

用于电离室的电极以及制造该电极的方法
技术领域
本发明涉及用于电离室的电极。
本发明还涉及电离室，具体涉及电离检测器。
此外，本发明涉及制造用于电离室的电极的方法。
背景技术
尽管气相色谱质谱仪(GCMS)是一种监控和确定气体样本成分的鲁棒且可靠的技术，然而其尺寸大和成本高，因此需要廉价且更小巧的检测方法。目前，传感器制造商正在通过使用微型机械技术来制造具有更先进的检测能力并且覆盖更大范围的先进应用的仪器。在继续使用成熟技术的同时，车辆制造商例如也在不断完善用在他们的产品中的电子系统。许多制造商主张化学传感器提供例如烟气的实时分析并确定燃料蒸汽回收系统中碳氢化合物的浓度。
通常，气体传感器通过多种根本上不同的机制来操作。电离传感器通过对不同气体的电离特性进行指纹处理来工作，但是这些电离传感器受限于它们体积巨大的架构。
发明内容
因此，可能需要提供用于电离室的改进的电极、电离室以及制造用于电离室的电极的方法，其中，电离室可以具有较小的尺寸并且可以工作在低电压下。
为了满足上述需要，提供了根据独立权利要求所述的用于电离室的电极、电离室以及制造用于电离室的电极的方法。
根据示例实施例，提供了一种用于电离室的电极，其中，所述电极包括：包括第一材料的衬底；以及从衬底延伸出来并通过处理衬底的第一材料而制造的多条纳米线。
根据示例实施例，提供了一种电离室，其中，所述电离室包括：根据本发明示例实施例的电极；空腔；以及另外电极；其中，所述多条纳米线中的至少一些或所有纳米线的尖端区域延伸到空腔中，并且所述另外电极被布置为使得尖端区域和所述电极彼此面对。具体地，空腔可以在至少一侧被另外电极密封，例如，另外电极可以形成空腔的棒(wand)，另外电极与尖端区域(例如，不被介电层所覆盖的纳米线的区域)可以彼此面对但不直接接触，即，可以彼此分开。
根据本发明的示例实施例，提供了一种制造电极的方法，所述方法包括：提供衬底；以及对衬底图案化，使得通过处理衬底来产生从衬底延伸出来的多条纳米线。
在本申请中，术语“电离室”可以具体代表适于电离流体(例如气体或液体)和/或检测这种电离后的流体的任何设备或外壳，例如电离检测器。这种电离室可以具体适于耦合至和/或可以包括电压或能量源，例如电池。
在本申请中，术语“纳米线”可以具体代表包括导电材料或由导电材料制成的任何小结构。具体地，纳米线在第一或纵向方向上的延伸或尺寸可以比在与纵向方向垂直的方向上的延伸或尺寸大，以便形成类似于线的结构。此外，整个纳米线的大小在较低的微米或亚微米范围内。例如，纵向方向的延伸可以在几微米(例如，大约20μm)到几纳米(例如，50nm)之间，而纳米线的直径可以在大约2nm到大约200nm的范围内。具体地，纳米线的长度可以在大约100nm到大约10μm之间，纳米线的直径可以在5nm到大约100nm之间。更具体地，纳米线的长度可以在250nm到大约1μm之间，直径可以在大约10nm到大约50nm之间。
与采用生长纳米线或纳米管(例如，碳纳米管)的电极相反，根据示例实施例的电极可以提供小尺寸的电极，可以使用已知的技术来制造这种小尺寸电极。具体地，已知硅技术的使用可以降低成本和/或提高制造工艺的产量。具体地，如在首先生长碳纳米管并然后将碳纳米管固定到衬底时一样，当使用硅技术(例如，CMOS技术)时，可以更容易地制造相对于彼此具有预定或固定关系或布置的纳米线的阵列。因此，可以提供微米/纳米级器件，可以使用集成电路制造技术将这种微米/纳米级器件制造为分立的器件或大的阵列。因此，可以使用更简单的标准化集成芯片部件技术。具体地，这种微米/纳米级器件可以呈现出更低的功耗并且不再需要如已知的笨重大体积器件一样的危险高压操作。此外，可以与CMOS器件兼容的低操作电压可以提供快速的响应时间以及例如几mm3的器件封装尺寸。可以通过将传感器集成到相同半导体衬底上来设计或制造这种小型检测器或传感器，例如通过处理该半导体衬底从衬底形成纳米线作为电路。因此，可以提高信噪比和灵敏度。由于如在IC工业中一样的标准批量处理可以应用于制造器件的电极以及器件本身，所以可以一次产生许多相同的传感器，从而可以提高它们的性能/成本比率。此外，传感器的小型化不仅可以对传感器的潜在低成本作出贡献，还可以允许将这些传感器与微电子电路集成，从而可以进一步提高传感器的性能。
此外，甚至可以将电极的制造工艺集成到整个微米/纳米级器件(例如，微米/纳米级电离室或电离检测器)的制造工艺中，使得不需要集成特殊部件。具体地，电极的制造工艺可以是与CMOS兼容的集成方案。
因此，可以看出本发明的示例方面的要点在于可以提供具有多条纳米线的用于传感器和/或电离室的电极，所述多条纳米线是通过处理半导体衬底而形成的。这种工艺可以通过公知的结构化方式来实现，例如通过使用已知的蚀刻工艺。这种蚀刻工艺可以具体地在衬底上获得精确限定的多条纳米线的布置，从而可以使得传感器的性能提高。具体地，可以制造覆盖电极(例如，阴极)的垂直排列的纳米结构阵列，与传统的平面电极相比，该纳米结构更适宜制造一致的纳米级表面形貌(topology)。
此外，将描述本发明的进一步的示例实施例。
在下文中，将说明用于电离室的电极的进一步的示例实施例。然而，这些实施例也应用于电离室和制造电极的方法。
根据电极的另一示例实施例，通过蚀刻来制造多条纳米线。蚀刻可以是一种从衬底制造纳米线的有效方式，因为可以使用半导体技术中已知的蚀刻工艺使得纳米线的高再现性和所实现的布置的高精度成为可能。此外，蚀刻工艺可以完全集成到标准工艺中。
根据电极的另一示例实施例，多条纳米线中的至少一些纳米线包括尖端区域。具体地，尖端区域可以由圆锥尖端形成，例如可以由尖锐尖端形成。在尖端彼此分开使得不发生各个尖端的电场的屏蔽或重叠的情况下，提供这种尖端(具体地，尖锐尖端)可以是一种产生非常高的电场的合适方法。这种非常高的电场可以减小击穿电压，使得包括这种电极的检测器可以当电离流体时呈现提高的灵敏度和/或更高的性能。因此，可以制造出紧凑的、可能由电池供电的、操作安全的这种检测器。尖锐尖端可以具体地被表征为尖锐尖端的开度角低于45°，优选地可以低于30°。例如，开度角可以在10°和25°之间，或可以更低，例如在5°和10°之间。
根据电极的另一示例实施例，第一材料是半导体材料。具体地，基础部件可以是半导体衬底，例如硅衬底或包括锗作为材料的衬底。
根据电极的另一示例实施例，多条纳米线中的至少一些纳米线被至少部分地硅化。具体地，可以通过使用任何合适的硅化阶段(例如通过使用TiSi2、NiSi或CoSi2)来硅化或金属化纳米线的一部分。此外，可以部分或全部地硅化一些或所有纳米线。例如，可以仅硅化纳米线的尖端区域，例如不被介电材料或介电层覆盖的尖端区域。
硅化可以延长纳米线的寿命和/或还可以增大纳米线尖端区域中的电场。
在下文中，将说明电离室的进一步的示例实施例。然而，这些实施例也可以应用于电离室的电极以及制造电极的方法。
根据另一示例实施例，电离室还包括介电层，其中，介电层被布置为使得多条纳米线中的至少一部分被介电层至少部分地覆盖。具体地，可以在基础部件或实质上可能产生部分钝化的纳米线的衬底上，在纳米线之间以连续层的形式沉积介电层。例如，多条纳米线中的每条纳米线可以包括附着到或连接至基础部件的基础区域以及可以具有圆锥形状的尖端区域，介电层可以被形成或沉积为使得多条纳米线中的至少一些纳米线或甚至所有多条纳米线的基础部件可以被介电层所密封或覆盖，同时尖端区域可以不被介电层所覆盖，即，没有介电材料。
根据另一示例实施例，电离室还包括加热元件。
加热元件的提供可以适于帮助净化电离室，例如可以帮助净化检测器的空腔。具体地，在制造和/或操作电离室时涉及气体的吸收或解吸的情况下，这种加热元件的提供可以是有用的。
总之，根据本发明的示例方面，可以提供用于电离室或传感器的电极，所述电极包括通过处理(例如，蚀刻)半导体衬底(例如，硅衬底)来制造的多条纳米线。纳米线可以具有尖端区域，在向纳米线提供电压时，所述尖端区域的形状导致在围绕该尖端的区域中产生高电场。当被集成到传感器(例如，气体传感器)时，纳米线可以被集成到加热元件上以帮助净化传感器。因此，可以提供一种尺寸小、低功耗且高可靠性的电离型气体传感器。具体地，电离型传感器或电离室可以不遭受在检测具有低吸附能或向有源层的低电负性的气体方面的困难，在使用气体吸附型传感器时可能会发生这种困难。
根据本发明的示例方面的电极或使用这种电极的电离型传感器可以用在大范围的技术领域中。例如，其可以用在汽车领域中，在汽车领域中，随着排放控制的不断发展，舱内空气质量监控快速发展。也可以用在工业安全领域、工艺控制、排污监控的领域中。另外可以应用在医学领域中，例如用在医疗诊断中的呼吸和药品领域。另一技术应用可以是环境监控，例如，监控示踪气体，例如在城市污染中起到重要作用的气体，包括CO、NOx、CO2和H2S。
通过以下描述的实施例的示例，本发明的示例实施例以及上述方面和其他方面将变得显而易见，参考实施例的示例说明了本发明的示例实施例以及上述方面和其他方面。应注意，本申请中结合本发明的一个示例实施例或方面而描述的特征可以与其他示例实施例或方面相结合。
附图说明
在下文中将参考实施例的示例来更详细描述本发明，然而本发明不限于这些实施例的示例。
图1至7示意性地示出了根据示例实施例的制造电离室的过程。
图8示出了根据示例实施例的电极的显微图像。
图9示出了根据示例实施例的电离室的显微图像。
具体实施方式
图中的说明是示意性的。在不同附图中，为相似或相同的元件提供相似或相同的参考标记。
在下文中，参考图1至7，将说明根据示例实施例的制造电离室的过程的示例步骤。
图1示意性地示出了衬底100，衬底100包括基础部件101，在所述基础部件101上布置有多条纳米线102、103和104。通过蚀刻原始衬底(例如，硅衬底)形成纳米线。对于蚀刻，可以使用任何已知的蚀刻工艺，例如在CMOS工艺使用的蚀刻工艺。纳米线102、103和104分别具有可比拟的尖锐尖端105、106和107。出于说明的目的，在图1中指示了角度108，角度108是尖端的开度角的两倍。
图2示出了在衬底100上具体地在基础部件101上围绕多条纳米线的一部分形成了介电层209之后图1的衬底100。可以通过已知工艺例如通过沉积、CVD或其他来形成介电层。
图3示出了在已将介电层209平面化和/或部分去除使得纳米线的尖端区域露出并不再嵌入介电层之后的图2的衬底100。
图4示出了在已沉积并且结构化或图案化例如由SiOC制成的距离限定层410之后的图3的衬底100。具体地，SiOC层的厚度411可以限定线尖端与金属板(例如电离室的另外电极)之间间隙的大小。
图5示出了在沉积并平面化牺牲层512之后的图4的衬底100。具体地，牺牲层512可以包括热降解性高分子(TDP)或可以由热降解性高分子(TDP)制成，可以在纳米线的尖端上形成牺牲层512。SiOC层410可以形成平面化步骤中的停止层。
图6示出了在已经在平面化的牺牲层512和距离限定层410上形成金属层613之后的图5的衬底100。金属层613可以形成电离室的另外电极或第二电极。
图7示出了在已经去除了牺牲层512使得建立空腔714之后的图6的衬底100，其中空腔714形成电离室的室。如果TDP层用于牺牲层512，则可以通过分解TDP层来去除该TDP层。通过去除牺牲层512，纳米线的尖端再次露出并延伸至所形成的空腔714中。
图8示出了根据示例实施例的电极800的显微图像。具体地，图8示出了以规则图案布置在衬底上的多条纳米线802、803和804的阵列。在图8中，图案是规则的矩形或正方形图案，使得各个纳米线与最近相邻的纳米线间距相等。从图例中可以看出，间距在1μm的量级上，纳米线的高度或长度也在1μm的范围内。
图9示出了根据示例实施例的电离室的显微图像。具体地，图9示出了电离室900的横截面图像。电离室900包括衬底901，多条纳米线902、903和904从衬底901延伸出来。在衬底901上在纳米线之间形成介电层909，使得纳米线902、903和904的尖端905、906和907不嵌入介电层912但是延伸至电离室900的空腔914中。此外，在图9中可以看到金属板或第二电极913。当操作电离室900时，电压源可以耦合至纳米线，从而在自由尖端的区域中产生高电场，所述电场足够高以至于能够击穿经过空腔914的流体(例如气体)。
应注意，术语“包括”并不排除其他元件或特征。此外，可以组合与不同实施例或方面相关联描述的元件。还应注意，权利要求中的参考标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于感测分子微粒的电离室，所述电离室包括：
电极；
流体经过的空腔；以及
面对所述电极的另外电极，
其特征在于，所述电极包括：
包括第一材料的衬底；以及
从衬底延伸出来并由衬底的第一材料制造的多条纳米线，其中，所述多条纳米线中的至少一些纳米线包括延伸至空腔中的尖端区域；
其中，所述另外电极被布置为使得尖端区域和所述电极彼此面对。
2.根据权利要求1所述的电离室，其中，
所述多条纳米线是通过蚀刻而制造的。
3.根据权利要求1所述的电离室，其中，
第一材料是半导体材料。
4.根据权利要求1所述的电离室，
其中，所述多条纳米线中的至少一些纳米线被至少部分地硅化。
5.根据权利要求1所述的电离室，还包括：
介电层，
其中，所述介电层被布置为使得所述多条纳米线中的至少一部分被介电层至少部分地覆盖。
6.根据权利要求1所述的电离室，还包括：
加热元件。
7.一种制造电离室的方法，所述方法包括：
提供衬底；
对衬底图案化，使得通过处理衬底来产生从衬底延伸出来的多条纳米线，至少一些纳米线包括尖端区域；
沉积距离限定层并对距离限定层图案化，所述距离限定层用于限定在所述多条纳米线中的所述至少一些纳米线的尖端区域与将形成的另外电极之间的距离；
在所述多条纳米线中的所述至少一些纳米线的尖端区域上沉积牺牲层并对牺牲层平面化，在所述平面化步骤中，使用图案化的距离限定层作为停止层；
在平面化的牺牲层以及图案化的距离限定层上形成另外电极；以及；
去除牺牲层，使得将所述多条纳米线中的所述至少一些纳米线的尖端区域再次露出并且形成流体经过的空腔。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
衬底包括硅。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，
通过蚀刻来执行衬底的图案化。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将介电层形成到衬底上，使得所述多条纳米线中的至少一些纳米线被介电层部分地覆盖，其中，所述尖端区域没有介电层。
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