CN108128750A - 一种电离式传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离式传感器的制造方法，包括在微纳电极基片基体材料上制备正面微纳放电电极阵列及背面电极；在转接板绝缘体基体材料上设置导电层电极；连接微纳电极基片的背面电极与转接板的正面电极，并相对固定；切断微纳电极基片但不切断转接板，在微纳放电电极阵列之间形成一条或多条气体间隙，以及将转接板电极接入信号检测电路，进行传感器信号检测等步骤。与现有技术相比，本发明通过分别控制微纳功能结构和辅助结构的加工质量，在器件结构具有微小电极间隙、放电电极系统为微纳结构的基础上，实现快速、低成本、高工艺兼容性的大批量加工制造。

Description

一种电离式传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及自动化监测、控制领域，尤其涉及一种电离式传感器的制造方法。

背景技术

传感器广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产、环境监控等各个领域中，根据监控对象、以及对监测自动化、智能化要求的不同，对作为监测信号转换基础器件的传感器提出了更高的要求，如用于室内环境控制的信号转换反馈节点的气体传感器，就存在气体浓度变化范围大，许多具有相似化学性质的不同气体混合物难于快速辨识等技术难点问题。

目前，本领域专家通过引入纳米吸附材料和微纳加工技术以提高传感器器件的敏感度，但由于无法提高传感器的动态范围，其恢复速度比较缓慢，无法适应浓度等监测参数不断上下波动的自控场景的需要。虽然可引入微小型化的色谱、光谱、质谱等成分分析技术，但由于其检测速度较低、成本高、体积较大，应用范围受到限制。

电离式传感器在信号转换机制上具有快速响应和广谱的特征，但现有技术的电离式传感器存在器件制造工艺步骤和功能结构比较复杂的问题，导致器件的一致性、重复性较差，成本也较高。如：基于碳纳米管的微型气体传感器，Modi A,Koratkar N,Lass E，基于碳纳米管的微型气体传感器(Miniaturized Gas Ionization Sensors Using CarbonNanotube)，自然(Nature),2003年第34卷第40期，第171～174页，采用堆叠式结构，难以控制电极间隙；利用键合方法，成本高，上线电极连接困难，一致性难以保证；而利用粘接或者焊接的方法，又很难控制横向位置的对准精度，等等。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种制作方法，在器件结构具有微小电极间隙、放电电极系统为微纳结构的基础上，能够实现快速、低成本的加工制造，并能够与外部检测电路系统更好地融合。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、高可靠的微纳电极电离式气体传感器制造方法，具有灵活的微纳结构加工工艺兼容性，其工艺效果可实现良好的与外电路连接的特征结构、微小电极间隙特征结构和微纳放电电极系统特征结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种电离式传感器的制造方法，包括如下步骤：

第一步，制备微纳电极基片，在微纳电极基片基体材料的正面制备微纳放电电极阵列，背面制作背面电极。微纳电极基片的基体材料是导体、半导体或者是带有正、背面导电连接孔的绝缘体，用以导通微纳电极基片的微纳放电电极阵列和背面电极。

第二步，制备转接板电极，转接板的基体材料是绝缘体，在该基体材料的正面和/或背面设置导电层，设置正、背面导电连接孔，导通正面和背面的导电层。

第三步，将微纳电极基片的背面电极与转接板的正面电极相连接，并使两者相对位置固定。

第四步，加工形成气体间隙，将微纳电极基片切断但不切断转接板，从而在微纳放电电极阵列之间形成一条或者多条气体间隙，每条气体间隙可以是形状相同或者不同的直线、折线或者是曲线。

第五步，将转接板与信号检测电路相连，检测传感器输出信号。

在本发明的较佳实施方式中，所述微纳放电电极阵列由单个结构单元组成，或者所述微纳放电电极阵列由多个结构单元组成，所述多个结构单元组成的所述微纳放电电极阵列在所述第四步中所述微纳电极基片被切断形成气体间隙的同时或之后被切片形成单一器件。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述微纳放电电极阵列是由一维纳米材料制作的微米电极阵列，或者是表面覆盖纳米材料的微米电极阵列。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述第一步中，所述的微纳电极基片的基体材料为晶元级单晶硅，所述微纳放电电极阵列是所述晶元级单晶硅通过化学腐蚀的方法制备出的硅纳米线阵列。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述第二步中，还包括在所述转接板的基体材料背面制作转接板背面电极，并在所述转接板背面电极和所述转接板正面电极之间设置导电孔，使正面和背面的导电层相连。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述转接板的基体材料是玻纤环氧板，所述转接板正面电极为表面沉金的焊盘，所述微纳电极基片的背面电极通过焊接与所述转接板正面电极连接并相对固定。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述转接板的基体材料是玻璃，所述转接板正面电极为沉积铬金薄膜，所述微纳电极基片的背面电极通过金-金键合与所述转接板正面电极连接并固定。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述第四步中，将所述微纳电极基片切断但不切断所述转接板的方法为激光切割、电子束切割、聚焦离子束切割或者基于光刻的图形转移技术。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述气体间隙为一条宽度为50微米的锯齿状折线，或者所述气体间隙为十条宽度为20微米的曲线。

在本发明的另一较佳实施方式中，在所述第四步和第五步中间，还包括将所述第四步工艺中产生的残渣清洗掉的步骤。

本发明所述方法适用于“侧壁”电极系统结构，也就是在基片表面设置电极间隙，由于两侧相对的放电电极都处于绝缘基片上，放电电极和支撑用的绝缘基片分别制造，不需要采用在绝缘基片表面沉积纳米结构，然后再用基于光刻的图形转移方法成型的工艺，从而避免了常规的工艺路线要求与外电路转接的焊盘、基片和材料，都能够兼容微纳放电电极结构的严苛要求，对材料和结构体系选择范围造成的严重限制。与现有技术相比，本发明通过分别控制微纳功能结构和辅助结构的加工质量，可实现良好的与外电路连接的特征结构、微小电极间隙特征结构和微纳放电电极系统特征结构，实现快速、成本低、可靠性高、工艺兼容性灵活的大批量加工制造。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明方法的工艺流程图；

图2是本发明的电离传感器微纳电极基片与转接板连接的结构图，

其中，1、微纳电极基片；2、转接板。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

如图1、图2所示，在本实施例中，工艺方法包括如下步骤：

第一步，制备微纳电极基片1，在晶元级基体材料单晶硅的正面制备硅微针放电电极阵列，在硅微针的表面通过化学腐蚀的方法制备硅纳米线的阵列，在单晶硅基体材料背面制作背面电极铬金薄膜。

第二步，制备转接板2，转接板2的基体材料是玻纤环氧板，在基体材料正面设置表面沉金的焊盘，在背面也同时设置表面沉金的焊盘，并设置正背面导电连接孔使正面和背面的焊盘相连。

第三步，通过回流焊，将微纳电极基片1的背面电极与转接板2的正面电极相连接，并使两者相对位置固定。

第四步，加工形成气体间隙，使用紫外脉冲激光切割的方法，将微纳电极基片1切断但不切断转接板，从而在微纳放电电极阵列之间形成一条宽度为50微米的气体间隙，气体间隙的形状是锯齿状的折线，在切割电极间隙的同时，完成器件切片形成单一的器件。

第五步，通过回流焊，将转接板背面的电极焊盘与信号检测电路的电极焊盘相连，检测传感器输出信号。

实施例2

如图1、图2所示，在本实施例中，工艺方法包括如下步骤：

第一步，制备微纳电极基片1，在晶元级基体材料单晶硅的正面，通过化学腐蚀的方法制备硅纳米线的阵列，在单晶硅基体材料背面制作背面电极铬金薄膜。

第二步，制备转接板2，转接板2的基体材料是玻璃，在基体材料正面沉积铬金薄膜。

第三步，通过金-金键合，将微纳电极基片1的背面电极与转接板2的正面电极相连接，并使两者相对位置固定。

第四步，加工形成气体间隙，基于光刻的图形转移技术，将微纳电极基片1切断但不切断转接板，从而在微纳放电电极阵列之间形成十条宽度为20微米的气体间隙，气体间隙的形状是曲线，在切割形成电极间隙之后，进行清洗，将工艺产生的残渣清洗掉，此后，通过脉冲激光加工完成器件切片形成单一的器件。

第五步，通过回流焊，将转接板背面的电极焊盘与信号检测电路的电极焊盘相连，检测传感器输出信号。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电离式传感器的制造方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第一步，在微纳电极基片的基体材料正面制备微纳放电电极阵列，在所述微纳电极基片的基体材料背面制作背面电极，所述微纳电极基片的基体材料是导体、半导体或者是带有正背面导电连接孔的绝缘体；

第二步，在转接板的基体材料正面制作转接板正面电极，所述转接板的基体材料是绝缘体；

第三步，将所述微纳电极基片的背面电极与所述转接板正面电极连接并固定；

第四步，将所述微纳电极基片切断但不切断所述转接板，从而在所述微纳放电电极阵列之间形成一条或者多条气体间隙；

第五步,将所述转接板与信号检测电路相连，检测传感器输出信号。

2.如权利要求1所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述微纳放电电极阵列由单个结构单元组成，或者所述微纳放电电极阵列由多个结构单元组成，所述多个结构单元组成的所述微纳放电电极阵列在所述第四步中所述微纳电极基片被切断形成气体间隙，并被切片形成单一器件。

3.如权利要求1或2所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述微纳放电电极阵列是由一维纳米材料制作的微米电极阵列，或者是表面覆盖纳米材料的微米电极阵列。

4.如权利要求3所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤第一步中，所述的微纳电极基片的基体材料为晶元级单晶硅，所述微纳放电电极阵列是所述晶元级单晶硅通过化学腐蚀的方法制备出的硅纳米线阵列。

5.如权利要求1、2或4任一项所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述第二步中，还包括在所述转接板的基体材料背面制作转接板背面电极，并在所述转接板背面电极和所述转接板正面电极之间设置导电孔，使正面和背面的导电层相连。

6.如权利要求5所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述转接板的基体材料是玻纤环氧板，所述转接板正面电极为表面沉金的焊盘，所述微纳电极基片的背面电极通过焊接与所述转接板正面电极连接并相对固定。

7.如权利要求5所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述转接板的基体材料是玻璃，所述转接板正面电极为沉积铬金薄膜，所述微纳电极基片的背面电极通过金-金键合与所述转接板正面电极连接并固定。

8.如权利要求1、2、4、6或7任一项所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述第四步中，将所述微纳电极基片切断但不切断所述转接板的方法为激光切割、电子束切割、聚焦离子束切割或者基于光刻的图形转移技术。

9.如权利要求6或7任一项所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，所述气体间隙为一条宽度为50微米的锯齿状折线，或者所述气体间隙为十条宽度为20微米的曲线。

10.如权利要求1、2、4、6或7任一项所述的电离式传感器的制造方法，其特征在于，在所述第四步和第五步中间，还包括将所述第四步工艺中产生的残渣清洗掉的步骤。