CN103111127B - Pm2.5过滤结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PM2.5过滤结构及其制备方法，按照本发明提供的技术方案，所述PM2.5过滤结构，包括基底；所述基底的第一主面上设置镂空结构层，所述镂空结构层内设置若干贯通镂空结构层的微米孔洞结构，所述微米孔洞结构与基底内的空气流通腔体相连通；在镂空结构层上设置横向纳米纤维体，所述横向纳米纤维体覆盖在微米孔洞结构上，并利用呈纤维状的底部紧固在镂空结构层上；横向纳米纤维体上设置纵向纳米纤维体，所述纵向纳米纤维体覆盖在横向纳米纤维体及镂空结构层上。本发明制备方法简单，可与常规MEMS工艺相兼容，材料的选择范围大，结构的应用安全可靠。

Description

PM2.5过滤结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微纳复合结构及其制备方法，尤其是一种PM2.5过滤结构及其制备方法，具体地说是一种基于双层图形化纳米纤维的可用于阻挡PM2.5实现空气净化的结构及其制备方法，属于材料和MEMS的交叉技术领域。

背景技术

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称可入肺颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有着重要的影响。PM2.5粒径小，含有大量有毒、有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远，因此对人体健康和大气环境质量的影响很大。

气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面，粒径在2.5-10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外，也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小。而粒径在2.5微米以下的细颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。

人体的生理结构决定了人体对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐渐暴露出其恐怖的一面。每个人平均每天要吸入约1万升的空气，进入肺泡的微尘会被迅速吸收、不经过肝脏解毒而直接进入血液循环分布到全身各处，进而损害血红蛋白输送氧的能力，造成血液丧失，对贫血和血液循环障碍的病人来说，这种情况可能会产生非常严重的后果，例如可能加重呼吸系统疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。这些颗粒还将通过支气管和肺泡进入血液，其中含有的有害气体、重金属等会溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。鉴于此，如何阻挡PM2.5通过口鼻进入人体危害人体健康就成为了一项具有重大意义的工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种PM2.5过滤结构及其制备方法，其利用平均间隙小于1微米的纵向纳米纤维体捕获经过的PM2.5，利用孔隙可调控的横向纳米纤维体捕获遗漏的PM2.5及少量脱落的纵向纳米纤维体，同时利用纤维材料体中存在的纳米间隙/孔隙和微米孔洞结构使空气顺利通过，进而达到空气净化的目标。该PM2.5过滤结构制备方法简单，可与常规MEMS工艺相兼容，材料的选择范围大，结构的应用安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述PM2.5过滤结构，包括基底；所述基底的第一主面上设置镂空结构层，所述镂空结构层内设置若干贯通镂空结构层的微米孔洞结构，所述微米孔洞结构与基底内的空气流通腔体相连通；在镂空结构层上设置横向纳米纤维体，所述横向纳米纤维体覆盖在微米孔洞结构上，并利用呈纤维状的底部紧固在镂空结构层上；横向纳米纤维体上设置纵向纳米纤维体，所述纵向纳米纤维体覆盖在横向纳米纤维体及镂空结构层上。

所述纵向纳米纤维体呈纤维状垂直于基底分布，纵向纳米纤维体的平均间隙小于1μm。

所述微米孔洞结构的孔径为1~10μm。所述横向纳米纤维体的平均间隙为10nm~990nm。

一种PM2.5过滤结构的制备方法，所述过滤结构的制备方法包括如下步骤：

a、提供基底，在所述基底的第一主面上设置镂空结构层，在基底的第二主面上设置背腔腐蚀掩膜层；

b、选择性地掩蔽和刻蚀所述镂空结构层，以在基底的第一主面上方形成若干贯通镂空结构层的微米孔洞结构；

c、在上述形成微米孔洞结构的镂空结构层上设置第一聚合物材料图形，所述第一聚合物材料图形覆盖在微米孔洞结构上表面；

d、利用等离子体轰击上述第一聚合物材料图形，直至在基底的第一主面上方形成横向纳米纤维体；

e、在上述基底上设置第二聚合物材料图形，所述第二聚合物材料图形覆盖在横向纳米纤维体及相应的镂空结构层上；

f、在上述背腔腐蚀掩膜层上设置所需的基底腐蚀掩膜；

g、利用所述基底腐蚀掩膜及背腔腐蚀掩膜层对基底进行腐蚀，以得到贯通基底的空气流通腔体，所述空气流通腔体与微米孔洞结构相连通；

h、利用等离子体轰击第二聚合物材料图形，直至得到纵向纳米纤维体。

所述步骤d和步骤h中，所述等离子体包括氧等离子体或氩等离子体。

所述第一聚合物材料图形及第二聚合物材料图形的材料包括光刻胶、PDMS、Parylene或聚酰亚胺。

所述微米孔洞结构呈正方形、长方形或圆形。所述基底的材料包括硅。所述镂空结构层及背腔腐蚀掩膜层均为二氧化硅层或二氧化硅和氮化硅的复合层。

本发明的优点：基底上设置纵向纳米纤维体及横向纳米纤维体，利用平均间隙小于1微米的纵向纳米纤维体捕获经过的PM2.5，利用孔隙可调控的横向纳米纤维体捕获遗漏的PM2.5及少量脱落的纵向纳米纤维体，同时利用纳米纤维体中存在的纳米间隙/孔隙和微米孔洞结构使空气顺利通过，进而达到空气净化的目标。该PM2.5过滤结构的制备方法简单，可与常规MEMS工艺相兼容，材料的选择范围大，结构的应用安全可靠。

附图说明

图1为本发明在基底上下表面分别设置镂空结构层和背腔腐蚀掩膜层材料后的剖面图。

图2为本发明在镂空结构层上形成微米孔洞结构后的剖面图。

图3为本发明在微米孔洞结构上设置第一聚合物材料图形后的剖面图。

图4为本发明在微米孔洞结构上形成横向纳米纤维体后的剖面图。

图5为本发明在基底上设置第二聚合物材料图形后的剖面图。

图6为本发明在基底下表面设置基底腐蚀掩膜后的剖视图。

图7为本发明进行了背腔腐蚀后的剖视图。

图8为本发明对基底进行等离子体轰击形成纵向纳米纤维体后的剖视图。

附图标记说明：101-基底、102-镂空结构层、103-背腔腐蚀掩模层、201-微米孔洞结构、301-第一聚合物材料图形、401-横向纳米纤维体；501-第二聚合物材料图形、601-基底腐蚀掩膜、701-空气流通腔体及801-纵向纳米纤维体。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图8所示：为了能够对空气中的PM2.5进行有效过滤，本发明包括基底101；所述基底101的第一主面上设置镂空结构层102，所述镂空结构层102内设置若干贯通镂空结构层102的微米孔洞结构201，所述微米孔洞结构201与基底101内的空气流通腔体701相连通；在镂空结构层102上设置横向纳米纤维体401，所述横向纳米纤维体401覆盖在微米孔洞结构201上，并利用呈纤维状的底部紧固在镂空结构层102上；横向纳米纤维体401上设置纵向纳米纤维体801，所述纵向纳米纤维体801覆盖在横向纳米纤维体401及镂空结构层102上。

具体地，所述纵向纳米纤维体801与横向纳米纤维体401均呈纤维状，纵向纳米纤维体801的平均间隙小于1μm，纵向纳米纤维体801垂直于基底101分布，利用纵向纳米纤维体801能对穿过纵向纳米纤维体801的空气中的PM2.5进行有效过滤。横向纳米纤维体401的平均间隙在10nm~990nm之间，可以通过制备工艺参数的调节，实现对横向纳米纤维体401平均间隙的控制，通过横向纳米纤维体401对穿过纵向纳米纤维体801的空气进行二次过滤。空气流通腔体701贯通基底101，微米孔洞结构102位于空气流通腔体701的正上方，微米孔洞结构102与空气流通腔体701相连通，利用纵向纳米纤维体801及横向纳米纤维体401的间隙，能够使得空气过滤后，通过微米孔洞结构201及空气流通腔体701进行流通。

如图1~图8所示：上述PM2.5过滤结构，可以通过下述工艺步骤制备得到，所述工艺步骤具体包括：

a、提供基底101，在所述基底101的第一主面上设置镂空结构层102，在基底101的第二主面上设置背腔腐蚀掩膜层103；

如图1所示：基底101具有第一主面及第二主面，其中，第一主面与第二主面为基底101的两个对应主面。对基底101通过干氧氧化的方式生长SiO₂材料层，以形成镂空结构层102和背腔腐蚀掩模层103，镂空结构层102及背腔腐蚀掩膜层103的厚度为8000Å，干氧氧化时温度为950℃，氧气的含量为60%；所述基底101采用常规的材料，基底101的材料包括双面抛光单晶硅，或其他一切可以进行双面光刻并能实现空气流通腔体701的材料。

b、选择性地掩蔽和刻蚀所述镂空结构层102，以在基底101的第一主面上方形成若干贯通镂空结构层102的微米孔洞结构201；

如图2所示：在镂空结构层102的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应所需形成微米孔洞结构201的位置形成光刻胶的开口图形，开口图形可呈正方形、圆形、长方形或其它形状，本实施例中各开口图形呈正方形，所述正方形的边长为5μm；利用RIE（Reactive Ion Etching）技术对镂空结构层102进行各向异性刻蚀，将光刻胶上开口的图形转移到镂空结构层102上，形成微米孔洞结构201，所述微米孔洞结构201贯通镂空结构层102，并在镂空结构层102上呈阵列分布；利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除硅片表面的光刻胶。其中，RIE刻蚀镂空结构层102的RF功率为300W，腔体压力为200mTorr（毫托），刻蚀气体为CF₄、CHF₃、He混合气体，对应的流量为10/50/12sccm（standard-state cubic centimeter per minute）。

c、在上述形成微米孔洞结构201的镂空结构层102上设置第一聚合物材料图形301，所述第一聚合物材料图形301覆盖在微米孔洞结构201的上表面；

如图3所示：在设置了微米孔洞结构201的基底101上表面设置第一聚合物材料，所述第一聚合物材料可以为PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）、Parylene（派瑞林）、光刻胶、聚酰亚胺等，本实施例中采用光刻胶；所述光刻胶可以为正性光刻胶，包括RZJ系列光刻胶、SPR系列光刻胶、AZ系列光刻胶，或电子束光刻中常用的PMMA（polymethylmethacrylate），也可以为负性光刻胶，包括较小厚度的SU-8系列光刻胶，本实施例中采用了SPR系列光刻胶，通过调控旋涂转速为3000转/分钟，调控旋涂时间为30s，得到光刻胶层的厚度为5微米；通过光刻工艺在对应微米孔洞结构201的位置处形成光刻胶图形，光刻胶图形形状与微米孔洞结构201相一致，尺寸稍大于微米孔洞结构201的尺寸，进而使之完全覆盖微米孔洞结构201，得到第一聚合物材料图形301。

d、利用等离子体轰击上述第一聚合物材料图形301，直至在基底101的第一主面上方形成横向纳米纤维体401；

如图4所示：所述等离子体包括氧等离子体、氩等离子体，或其他微电子工艺中才常用的等离子体；本发明实施例中，等离子体采用氧等离子体。

将所述在镂空结构层102表面上已经实现了第一聚合物材料图形301的基底101放置于等离子体机中，进行15分钟的氧等离子体轰击，直至所述第一聚合物材料图形301形成横向纳米纤维体401，所述横向纳米纤维体401的孔隙为200纳米左右。其中，氧等离子体轰击的过程中RF功率为300 W，氧气的流量为 200sccm，腔体压力为5Pa。等离子体轰击形成横向纳米纤维体401时，能够调节工艺过程中的多项参数，使得横向纳米纤维体401的空隙在几十纳米到几百纳米之间。

e、在上述基底101上设置第二聚合物材料图形501，所述第二聚合物材料图形501覆盖在横向纳米纤维体401及相应的镂空结构层102上；

如图5所示：在制作了横向纳米纤维体401的基底101上表面设置第二聚合物材料，所述第二聚合物材料可以为PDMS、Parylene、光刻胶等，本实施例中采用了光刻胶；所述光刻胶可以为正性光刻胶，包括RZJ系列光刻胶、SPR系列光刻胶、AZ系列光刻胶、PMMA，也可以为负性光刻胶，包括SU-8系列光刻胶，本实施例中采用了SU-8系列光刻胶，通过调控旋涂转速为3000转/分钟，调控旋涂时间为60s，得到光刻胶层的厚度为10微米；通过光刻工艺在对应大面积微米孔洞结构201的位置处形成光刻胶图形，光刻胶图形形状与大面积所述微米孔洞结构201的整体形状相一致，且尺寸稍大于微米孔洞结构201的整体尺寸，进而使之完全覆盖所有微米孔洞结构201，得到第二聚合物材料图形501。

f、在上述背腔腐蚀掩膜层103上设置所需的基底腐蚀掩膜601；

如图6所示：对基底101的正面结构采用夹具实施保护，在基底101的背面，即背腔腐蚀掩模层103的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应所需形成空气流通腔体701的位置形成光刻胶的开口图形，以在背腔腐蚀掩膜层103上设置基底腐蚀掩膜601。

g、利用所述基底腐蚀掩膜601及背腔腐蚀掩膜层103对基底101进行腐蚀，以得到贯通基底101的空气流通腔体701，所述空气流通腔体701与微米孔洞结构201相连通；

如图7所示：利用RIE技术对背腔腐蚀掩模层103进行各向异性刻蚀，将光刻胶上开口的图形转移到背腔腐蚀掩模层103上；随后利用KOH湿法腐蚀技术腐蚀基底101，使之形成空气流通腔体701，并与镂空结构层102上的微米孔洞结构201相通。

h、利用等离子体轰击第二聚合物材料图形501，直至得到纵向纳米纤维体801。

如图8所示：将所述在已经实现了空气流通腔体701的基底101放置于等离子体机中，进行30分钟的氧等离子体轰击，直至所述第二聚合物材料图形501形成纵向纳米纤维体801，在等离子体轰击时形成纵向纳米纤维体801的平均间隙小于1μm的间隙。

如图1~图8所示：使用时，将基底101面向空气流通方向垂直放置，在空气经过纵向纳米纤维体801时，依靠纵向纳米纤维体801的平均间隙小于1微米的结构特点捕捉空气中的微纳颗粒，同时利用孔隙很小的横向纳米纤维体401捕捉穿过纵向纳米纤维体的少量微纳颗粒及少量在物理作用过程中脱落的纵向纳米纤维体，经过纵向纳米纤维体801及横向纳米纤维体401后达到通过空气流通腔体701并逸出的空气中微纳颗粒的含量明显降低甚至完全被去除，从而达到有效净化空气的目的。

本发明基底101上设置纵向纳米纤维体801及横向纳米纤维体401，利用平均间隙小于1微米的纵向纳米纤维体801捕获经过的PM2.5，利用孔隙可调控的横向纳米纤维体401捕获遗漏的PM2.5及少量脱落的纵向纳米纤维体，同时利用纤维材料中存在的纳米间隙/孔隙和微米孔洞结构201使空气顺利通过，进而达到空气净化的目标。该PM2.5过滤结构制备方法简单，可与常规MEMS工艺相兼容，材料的选择范围大，结构的应用安全可靠。

Claims (6)

1.一种PM2.5过滤结构，包括基底（101）；其特征是：所述基底（101）的第一主面上设置镂空结构层（102），所述镂空结构层（102）内设置若干贯通镂空结构层（102）的微米孔洞结构（201），所述微米孔洞结构（201）与基底（101）内的空气流通腔体（701）相连通；在镂空结构层（102）上设置横向纳米纤维体（401），所述横向纳米纤维体（401）覆盖在微米孔洞结构（201）表面上，并利用呈纤维状的底部紧固在镂空结构层（102）上；横向纳米纤维体（401）上设置纵向纳米纤维体（801），所述纵向纳米纤维体（801）覆盖在横向纳米纤维体（401）及镂空结构层（102）上；

所述纵向纳米纤维体（801）呈纤维状垂直于基底（101）分布，纵向纳米纤维体（801）的平均间隙小于1μm；

所述微米孔洞结构（201）的孔径为1~10μm；

所述横向纳米纤维体（401）的平均间隙为10nm~990nm；

所述PM2.5过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

（a）、提供基底（101），在所述基底（101）的第一主面上设置镂空结构层（102），在基底（101）的第二主面上设置背腔腐蚀掩膜层（103）；

（b）、选择性地掩蔽和刻蚀所述镂空结构层（102），以在基底（101）的第一主面上方形成若干贯通镂空结构层（102）的微米孔洞结构（201）；

（c）、在上述形成微米孔洞结构（201）的镂空结构层（102）上设置第一聚合物材料图形（301），所述第一聚合物材料图形（301）覆盖在微米孔洞结构（201）表面上；

（d）、利用等离子体轰击上述第一聚合物材料图形（301），直至在基底（101）的第一主面上方形成横向纳米纤维体（401）；

（e）、在上述基底（101）上设置第二聚合物材料图形（501），所述第二聚合物材料图形（501）覆盖在横向纳米纤维体（401）及相应的镂空结构层（102）上；

（f）、在上述背腔腐蚀掩膜层（103）上设置所需的基底腐蚀掩膜（601）；

（g）、利用所述基底腐蚀掩膜（601）及背腔腐蚀掩膜层（103）对基底（101）进行腐蚀，以得到贯通基底（101）的空气流通腔体（701），所述空气流通腔体（701）与微米孔洞结构（201）相连通；

（h）、利用等离子体轰击第二聚合物材料图形（501），直至得到纵向纳米纤维体（801）。

2.根据权利要求1所述的PM2.5过滤结构，其特征是：所述步骤（d）和步骤（h）中，所述等离子体包括氧等离子体或氩等离子体。

3.根据权利要求1所述的PM2.5过滤结构，其特征是：所述第一聚合物材料图形（301）及第二聚合物材料图形（501）的材料包括光刻胶、PDMS、Parylene或聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的PM2.5过滤结构，其特征是：所述微米孔洞结构（201）呈正方形、长方形或圆形。

5.根据权利要求1所述的PM2.5过滤结构，其特征是：所述基底（101）的材料包括硅。

6.根据权利要求1所述的PM2.5过滤结构，其特征是：所述镂空结构层（102）及背腔腐蚀掩膜层（103）均为二氧化硅层或二氧化硅和氮化硅的复合层。