CN103868951B - 一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法。本方法为：1）在基片上制备一梳齿状电极阵列；2）从所述梳齿状电极阵列中分离出一个电极单元基片；3）将分离出的所述电极单元基片的电极所在面贴到生长有纳米线薄膜的基片上，然后沿垂直于电极单元梳齿方向推压所述电极单元基片，将纳米线粘附到所述电极单元基片上，得到纳米线阵列气敏元件。本发明的气敏元件气敏性能高、纳米线利用率高，环保且确保了纳米线不受污染和材料本征性能的体现，有利于后续气敏机理分析。

Description

一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法

技术领域

本发明涉及一种气敏元件制备新方法，工艺过程简单，易于推广，适合低成本、大规模、高效生产需要。属于气体传感器研究领域。

背景技术

目前半导体气敏传感器主要有以下几种结构类型：(1)烧结型气敏器件,其制作是将一定比例的气敏材料和一些掺杂剂用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳构成器件。(2)薄膜型气敏器件，其制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜，再引出电极。此方法也适用于生长的纳米线薄膜。(3)厚膜型气敏器件，是将气敏材料与3%～15%重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成。可以看出以上几种结构均需要消耗大量气敏原材料来制备气敏元件。

对于纳米线等一维纳米材料而言，除了具有高比表面积、高活性、高结晶度的特点外，由于其形貌的特殊性，如果能有效将这些一维纳米材料集成到器件中将大大降低原材料的消耗从而达到降低成本的目的。具体来说，对于基于单根纳米线的气敏元件，多采用先溶剂分散，后电子束曝光方法进行套刻制备测试用电极（参考文献：J.M.Baik,M.H.Kim,C.Larson,C.T.Yavuz,G.D.Stucky,A.M.Wodtke,M.Moskovits,Nano Lett.9(2009)3980-3984.；N.M.Kiasari,S.Soltanian,B.Gholamkhass,P.Servati,Sensors and Actuators A182(2012)101–105.），然而这种基于单根纳米线的传感器制作成本高、可重复性差、测量信号弱以及长期使用可靠性等方面并不理想。对于基于多根纳米线的气敏元件，多采用先制备梳齿状电极，然后将分散有气敏材料的溶液滴于上方，最后再蒸干多余溶剂的方法（参考文献：S.Yi,S.Q.Tian,D.W.Zeng,K.Xu,S.P.Zhang,C.S.Xie,Sensors and Actuator B185(2013)345-353.）。

综上几种方法，起主导作用的气敏材料本身无一例外，均与其他添加材料或溶剂接触，从而降低了与气体的接触面积或影响了气敏材料本征性能的体现，不利于后续气敏机理分析，此外，该种方法在纳米线分散过程中也存在损耗量大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法，简化工艺流程，缩短制备时间，提高气敏材料利用率，最后辅以气敏性能测试结果来证实少量纳米线可以达到或优于纳米线薄膜的气敏性能。资助项目为：国家自然科学基金青年科学基金项目（No.61106073）。

本发明的技术方案为：

一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法，其步骤为：

1）在基片上制备一梳齿状电极阵列；

2）从所述梳齿状电极阵列中分离出一个电极单元基片；

3）将分离出的所述电极单元基片的电极所在面贴到生长有纳米线薄膜的基片上，然后沿垂直于电极单元梳齿方向推压所述电极单元基片，将纳米线粘附到所述电极单元基片上，得到纳米线阵列气敏元件。

进一步的，制备所述梳齿状电极阵列的方法为：首先在SiO₂/Si基片上旋涂光刻胶后曝光制备一梳齿状图形阵列；然后依次制备金属粘附层和金属层，剥离光刻胶，得到所述梳齿状电极阵列。

进一步的，所述金属粘附层为Ti薄膜；所述金属层为Pt金属层。

进一步的，所述金属粘附层厚度为5nm；所述金属层厚度为45nm。

进一步的，所述纳米线薄膜为氧化铟纳米线薄膜。

进一步的，所述步骤2）的实现方法为：首先在所述梳齿状电极阵列相邻两个电极单元的边缘中间部位用金刚刀划一痕迹；然后利用所述梳齿状电极阵列所在基片的硅衬底晶格取向施力，使相邻电极单元分开，得到所述电极单元基片。

进一步的，所述梳齿状电极阵列的阵列单元间距3mm，梳齿状电极的线宽/间距为1μm/9μm，线长为500μm。

本发明将首先采用光学曝光技术在SiO₂/Si基片上曝光梳齿状图形阵列，然后经过显影定影的基片通过电子束镀膜方法蒸镀45nm Pt/5nm Ti薄膜，接下来在丙酮中剥离（lift off）后制得测试用梳齿状电极阵列。分割电极阵列并夹取其中一个电极单元，将电极所在面贴到生长有氧化铟纳米线薄膜的基片上，沿垂直于梳齿状电极梳齿方向轻轻推压电极单元基片即可将一部分纳米线有序粘附到电极基片上。一个纳米线薄膜基片可以重复数十次来制备这种纳米线阵列单元。该方法普适于其他种类的纳米线。取一个约3mm*3mm的纳米线薄膜样片和一个分散有纳米线的电极单元，使用银浆和铂丝将两个样片分别装到两个气敏测试样品托上进行气敏性能对比性实验。

与现有技术相比，本发明制备的纳米线阵列气敏元件其优点为：

首先是纳米线利用率高，在制备过程中，一个3mm*3mm的纳米线薄膜可以制备出数十个纳米线阵列气敏单元。其次纳米线分散过程不依赖任何有机溶剂，环保且确保了纳米线不受污染和材料本征性能的体现，有利于后续气敏机理分析。

从气敏效果方面讲，分散有多根纳米线的梳齿状电极气敏单元可以达到或优于无序排布的纳米线薄膜的气敏性能。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为分散有氧化铟纳米线的气敏元件显微镜照片；

图3为纳米线阵列对100ppm乙醇气体响应曲线；

图4为纳米线薄膜对100ppm乙醇气体响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。本发明的方法流程如图1所示，其步骤为：

a)在SiO₂/Si（SiO2厚度为500nm，衬底为（100）取向硅）基片上旋涂（转速4000r/min）1μm厚AR5350光刻胶，前烘温度110℃，保温3min。

b)采用光学曝光系统在基片上曝光梳齿状电极阵列，阵列单元间距3mm，梳齿状电极的线宽/间距（1μm/9μm)，线长设定为500μm。曝光参数：曝光波长365nm，曝光时间2.5s，显影液AR300-26:H₂O(1:5)，显影时间15s，定影液为去离子水，定影时间30s。

c)采用电子束镀膜方法蒸镀5nm厚金属粘附层（比如Ti薄膜）以增加金属电极与衬底材料的粘附力，然后在已镀有Ti金属层的上方再蒸镀一层45nm厚Pt金属层，之后在丙酮中剥离，制备得气敏测试用电极阵列。

d)制备好的电极阵列利用（100）取向硅衬底的晶格取向并辅以金刚刀进行单元分割。即先在每两个电极单元所在基片的边缘中间部位用金刚刀划一痕迹，然后利用硅衬底晶格取向轻轻施力即可沿划痕将基片分开。

e)将分割好的电极单元正面（即金属层导电面）贴到预先制备好的纳米线薄膜一侧，沿垂直于梳齿状电极的梳状方向轻轻推压后即可将部分纳米线有序粘附到电极单元上，结果如图2所示。不同于通过液体分散纳米线再滴涂到电极上方烘干制得的方法，本发明方法无须液体分散，直接粘压即可得到干净的有序排列，所用纳米线薄膜可以重复制备数十个气敏单元，节省了原材料和制备纳米线的工艺流程，而且比液体分散还要干净很多。

取一个约3mm*3mm的纳米线薄膜样片和一个分散有纳米线的电极单元做气敏性能对比性实验，使用银浆和铂丝将两个样片分别组装到两个气敏测试样品托上，采用WS-30A气敏元件测试系统进行气敏性能测试，加热电压为6V，温度约200℃，其结果见图3（纳米线阵列乙醇响应曲线）和图4（纳米线薄膜乙醇响应曲线），其中定义灵敏度为Response=R_air/R_gas（R_air为空气中电阻，R_gas为乙醇气氛中电阻）。

Claims (6)

1.一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法，其步骤为：

1)在基片上制备一梳齿状电极阵列；即首先在SiO₂/Si基片上旋涂光刻胶后曝光制备一梳齿状图形阵列；然后依次制备金属粘附层和金属层，剥离光刻胶，得到所述梳齿状电极阵列；

2)从所述梳齿状电极阵列中分离出一个电极单元基片；

3)将分离出的所述电极单元基片的电极所在面贴到生长有纳米线薄膜的基片上，然后沿垂直于电极单元梳齿方向推压所述电极单元基片，将纳米线粘附到所述电极单元基片上，得到纳米线阵列气敏元件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述金属粘附层为Ti薄膜；所述金属层为Pt金属层。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述金属粘附层厚度为5nm；所述金属层厚度为45nm。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述纳米线薄膜为氧化铟纳米线薄膜。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤2)的实现方法为：首先在所述梳齿状电极阵列相邻两个电极单元的边缘中间部位用金刚刀划一痕迹；然后利用所述梳齿状电极阵列所在基片的硅衬底晶格取向施力，使相邻电极单元分开，得到所述电极单元基片。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述梳齿状电极阵列的阵列单元间距3mm，梳齿状电极的线宽/间距为1μm/9μm，线长为500μm。