CN108548864A - 等离子体气体传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体气体传感器及其制造方法，该气体传感器包括基底、绝缘层、形成在基底上的针状结构阵列以及对电极，其中对电极设置在针状结构上方，由绝缘层隔离并形成气体放电空间，针状结构阵列的若干针状结构的顶端与金属颗粒形成异质结结构。该结构充分利用了对电极、针状结构、绝缘层间隙构成的微观尺度体系，其中针状结构和和对电极体现出了电场集聚效应，纳米级的放电空间提高了气体放电产生的电荷传导效率，促进了气体传感信号的采集。该等离子体气体传感器巧妙地实现了等离子体发生所需的局部强电场，利用了传输过程中的小尺度优势，达到了器件微型化、工作电压低、功耗低等技术效果。该结构的制造方法耗材少、结构利用率高，达到了高效率、节省、精准的微加工效果。

Description

等离子体气体传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及等离子技术领域，尤其涉及一种等离子体气体传感器及其制造方法。

背景技术

等离子体被称为物质的第四态，主要是由气体在能量注入的条件下发生正负离子(电子)的分离形成。作为能量注入的一种方式，当加载了较高的电压形成较强的电场时，不同种类、含量的气体高于特定的电场作用下才能发生气体放电并形成等离子体，从而表现为电路中的电流信号。因此，可根据不同气体条件下所需的不同的、特定的加载电压，即阈值电压，作为判断气体种类、含量等信息的传感信号，基于上述原理的设备被称为等离子体气体传感器。然而，传统的基于电场的等离子体发生装置存在驱动电压极高的安全隐患，机理方面存在气体放电等离子体演化过程的复杂，二者导致了其在传感应用上同时受到了电源设计和信号处理两方面的技术难题。

为了解决上述技术问题，从等离子体发生器体系中电极结构和放电空间间隙的两方面提出了多种技术途径，试图得到更低的驱动电压、更直接和有效的放电电流信号。例如，在电极方面，通过引入一维纳米材料如碳纳米管作为电极表面的放电中心以发挥其电场集聚作用，但是由于一维纳米材料的生长一般较为密集且无需，纳米材料之间的间距很小所以易产生电场屏蔽效应，限制了其工作电压的降低；此外，传感器结构中引入大面积的一维纳米材料，产生气体放电信号的仅仅是其中很小一部分，对传感器的工作效率和结构稳定性是一个挑战。在放电空间间隙方面，对于宏观尺度下的电极对而言，电极间的平行度至关重要，因为电极表面的凸起或倾斜将导致局部放电流注，造成信号的失稳和传感器的损坏；然而无论是平行的平板电极还是同轴心的圆筒状电极，在微观尺度的平行度控制、保持都是技术难题，同时，随着放电间隙的不断降低，待测气体的流通又将构成新的技术问题。

发明内容

本发明提出了一种等离子体气体传感器及其制造方法，以在较低电压驱动的条件下形成与所处气体环境相对应的气体放电电流，从而实现对气体种类、含量等信息的传感。

为了解决上述问题，本发明提供一种等离子体气体传感器，包括：

基底；

针状结构阵列，由所述基底的特定区域进行刻蚀形成,所述针状结构阵列包括若干针状结构，且所述若干针状结构的顶端与金属颗粒形成异质结结构；

绝缘层，形成在所述特定区域外的所述基底上；

对电极，设置在所述针状结构阵列的上方，且由所述绝缘层支撑。

在本发明的一个实施例中，所述对电极为线状或带状结构。

在本发明的一个实施例中，所述对电极的宽度不超过200纳米。

在本发明的一个实施例中，所述绝缘层的厚度不大于1微米。

在本发明的一个实施例中，单个针状结构的顶端直径不超过200纳米。

在本发明的一个实施例中，所述基底为硅片。

在本发明的一个实施例中，所述绝缘层为二氧化硅。

在本发明的一个实施例中，所述对电极为硅纳米线、碳化硅纳米线、氧化锌纳米线、磷化镓纳米带、砷化镓纳米线的任一种。

同时本发明还提供了一种等离子体气体传感器的制造方法，包括以下步骤：

S1:提供一基底；

S2:在所述基底上形成一绝缘层；

S3:对所述基底的一特定区域进行刻蚀，形成针状结构阵列，所述针状结构阵列包括若干针状结构；

S4:将对电极设置在所述针状结构阵列的上方，所述对电极由所述绝缘层支撑；

S5:在所述针状结构的顶端形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。

在本发明的一个实施例中，在步骤S2与S3之间还包括步骤S23：对所述绝缘层进行图形化，以露出部分基底区域，形成特定区域。

在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，通过聚焦离子束直写刻蚀工艺形成所述针尖结构阵列。

在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，通过图形化的硅湿法各向异性刻蚀工艺形成所述针尖结构阵列。

在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，通过机械手将所述对电极转移至所述针状结构上方并由所述绝缘层支撑。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S5具体为：通过溅射工艺在所述针尖结构表面形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，存在以下的优点和积极效果：

1)本发明提供的等离子体气体传感器，充分利用了针状结构和微小对电极的配合，构成了全微观尺度的放电电极体系，在两个电极上均可产生电场在几何上的尖端效应(即高曲率的顶端结构能产生局部增强电场)，在同等电压下能在局部产生更高的电场使气体离子化进而产生放电电流。

2)本发明提供的等离子体气体传感器电极间隙构成的放电空间由绝缘层薄膜控制，可精准控制且低至亚微米级，在特定的等离子化电场要求下实现了传感器工作电压的进一步降低。

3)本发明提供的等离子体气体传感器电极间隙构成的放电空间在亚微米级，与常温常压下气体分子的平均自由程相当，即气体分子在强电场中转化为带电粒子后仅发生有限次碰撞之后即到达电极而向电路中传递电学信号，尽管作为等离子体发生器而言碰撞电离增殖的电荷数量相对有限，但作为传感器结构而言，其将气体信息转化为电学信号的能力与效率大大提高。

4)本发明提供的等离子体气体传感器，其针状结构的顶端与金属颗粒形成有金属颗粒-针状结构的异质结结构，该异质结结构可提供较多表面态，使得气体分子在与该结构的交互作用中更容易转化为离子态，增强了包含成分信息的电学信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的等离子体气体传感器的主视示意图；

图2是本发明一实施例提供的等离子体气体传感器的制造方法的流程示意图；

图3A-图3D是本发明一实施例提供的等离子体气体传感器的制造方法的各步骤对应的器件结构示意图。

图中：1-基底，2-绝缘层，3-针状结构，4-对电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的等离子体气体传感器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在提出本本发明之前，本申请的发明人对目前可能的等离子体气体传感器进行了充分的研究，具体研究如下：

1)已报道的等离子体气体传感器，其电极尺寸均在毫米及以上的宏观尺度水平，由于微观结构上很难做到绝对平行和一致，实际上产生气体放电、得到气体传感信号的功能区域十分有限，仅在不可避免的部分凸起或尖端部位，造成了器件材料和生产工艺的浪费；同时，放电的局部区域大多是非设计的、不可控的微观结构，极有可能造成放电流注，从而使得传感器工作状态不够稳定。

2)已报道的等离子体发生器的电极结构主要在宏观尺度，如果希望通过缩减电极间的距离从而在同样的电压驱动下获得更高的电场水平，一方面在结构体系控制上难度较高，另一方面待测气体的引流和排出技术难度很大，即气流流场的设计难度极高。在气体传感信号方面，由于宏观电极对所构成的放电空间，在平行于电极板的方向上远大于垂直于电极板方向，等离子体的产生输运、输运同时受到电极平行方向的气体流场叠加垂直电极的电场的影响，等离子体电学信号和气体本征信息的对应关系更为复杂。

3)申请人通过对等离子体在电场和流场中演化过程的研究和大量气体放电实验验证，发现微观尺度的针状结构阵列与设置在其上方的对电极的组合可有效地提高在特定气氛中的气体放电产生等离子体的效率。于此同时，研究结果还发现，不同的气体在所述的针状结构-对电极体系下，表现出了不同的放电阈值电压，可以作为标定其成分的电学信号。

基于上述研究，本申请的发明人创造性地设计了一种等离子体气体传感器，请参考图1，如图1所示，本发明实施例提供的等离子体气体传感器包括基底1，在基底1上形成图形化的绝缘层2，基底1上由图形化的绝缘层2包围的部分形成特定区域，在该特定区域上形成针状结构阵列，具体地，对基底1的该特定区域进行刻蚀形成针状结构阵列。当然，本发明并不局限于上述工艺方法。针状结构阵列包括若干针状结构3，且若干针状结构3的顶端与金属颗粒形成异质结结构；在针状结构阵列的上方设置有对电极4，对电极4由绝缘层2支撑。本发明充分利用了对电极、针状结构、绝缘层间隙构成的微观尺度体系，其中针状结构和和对电极体现出了电场集聚效应，纳米级的放电空间提高了气体放电产生的电荷传导效率，促进了气体传感信号的采集。该等离子体气体传感器巧妙地实现了等离子体发生所需的局部强电场，利用了传输过程中的小尺度优势，达到了器件微型化、工作电压低、功耗低等技术效果。

在具体实施方式中，对电极4为线状或带状结构，也就是从顶视图来看，所述对电极的长度明显大于宽度和厚度。具体地，结合聚焦离子束设备的配件机械手与沉积气体注入系统(G I S)，将所述对电极4的材料硅纳米线粘附到机械手上、转移到所述针状结构3阵列上方并与其周围绝缘层接触、释放在所述针状结构3上方，并与外电路形成良好的电接触。

优选地，对电极4的宽度不超过200纳米，以使得在对电极4上可产生电场集聚效应提高局部电场，促进气体放电和等离子体产生。

作为一优选实施方式，绝缘层2的厚度不大于1微米，从而使得支撑于绝缘层上的对电极4和的针状结构阵列顶端的间距极小，增加两者之间的电场强度，比如1V的加载电压，在不考虑尖端效应的电场增强下都能达到10⁶伏/米。

作为一优选实施方式，单个针状结构3的顶端直径不超过200纳米，从而，在针状结构电极上可产生电场集聚效应提高局部电场，促进气体放电和等离子体产生。

作为一优选实施方式，所述基底1为硅片，优选电阻率较低的高导硅片，即电阻率在几十欧姆·厘米级别以下的硅片。其中，对基底1的特定区域进行刻蚀形成针状结构阵列的刻蚀方法包括湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀主要结合图形化和硅基底的各向异性刻蚀，干法刻蚀主要利用图形化和反应离子刻蚀，或者聚焦离子束直写工艺。作为一种实施方式，绝缘层2为二氧化硅，优选沉积方法在基底1表面形成的氧化硅薄膜。当然，本发明并不以此为限，还可以选择其它的材料作为基底和绝缘层。

作为一种实施方式，所述对电极4为硅纳米线、碳化硅纳米线、氧化锌纳米线、磷化镓纳米带、砷化镓纳米线的任一种。选择纳米线可达到提高局部电场、传导驱动电压、传输气体放电电流信号的作用。所述的与针状结构形成异质结结构的金属材料，优选化学性质稳定的材料，如金、银、铂和铝以及其合金。

请进一步参考图2及图3A-图3D，结合图2及图3A-图3D，本实施例提供的等离子体气体传感器的制造方法包括以下步骤：

S101:提供一基底1

该基底1具体为硅片，优选为电阻率较低的高导硅片，以保证加载的工作电压有效传导到针状结构阵列上，同时减小气体放电电流的传感信号在线路上的损失。

S102:在基底1上形成一层绝缘层并图形化，该步骤完成后的器件结构如图3A所示。

其中，绝缘层2的材料为电绝缘性能较好的薄膜材料二氧化硅，将绝缘层2材料二氧化硅沉积在所述基底1的方法包括化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积，可选择的原料包括硅烷和四乙基硅。利用原料和氧气/氮氧化物在化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积反应腔中发生反应，从而生成二氧化硅颗粒沉积在基底1表面。

其中绝缘层的图形化有两种方式：1)首先在所述基底1的表面沉积绝缘层薄膜，然后在绝缘层薄膜上利用标准的半导体加工工艺的光刻胶旋涂、光刻、显影，用保留的光刻胶保护住部分绝缘层薄膜而暴露出需要去除绝缘层薄膜部分的图形，利用离子轰击(干法)、化学腐蚀(湿法)去除被暴露部分的绝缘层薄膜材料，所形成的绝缘层缺失区域即所述针状结构阵列3的上表面(顶面)；2)首先在所述基底1的表面利用标准的半导体加工工艺的光刻胶旋涂、光刻、显影，用保留的光刻胶形成了所述针状结构阵列3的上表面图形，而暴露出需要沉积绝缘层薄膜部分的图形，然后用前述薄膜沉积工艺将绝缘层薄膜沉积在已图形化的光刻胶表面，其中非针状结构阵列区域上绝缘层薄膜直接与所述基底1接触，而针状结构阵列上表面位置因为有光刻胶保护所以绝缘层薄膜将沉积在光刻胶表面，利用丙酮在溶解该部分光刻胶的同时将其上的绝缘层材料从所述基底1溶脱去除，即形成了如图3A所示的图形化的绝缘层薄膜2。

需要注意的是，在某些刻蚀工艺条件下，如聚焦离子束刻蚀，所述绝缘层2不需要在形成所述针状结构3之前进行图形化以露出部分基底区域，因为在刻蚀工艺形成针状结构的过程中，同位置上表面的绝缘层将直接被去除，因此没有对绝缘层2进行图形化这一步骤。

S103:在所述基底上的特定区域刻蚀出针状结构阵列；该步骤完成后的器件结构如图3B所示。

其中，在所述基底1为硅片的情况下，刻蚀设备为聚焦离子束(FI B)，选取工艺参数为：刻蚀电流1nA，刻蚀图形为20×20方形网格阵列，重复间隔为800纳米，设定深度为5微米，刻蚀时间为10分钟。刻蚀工艺开展时，需注意基底1的表面与聚焦离子束设备的离子束保持垂直，且离子束焦点应保持在基底表面。

S104:在所述针状结构3阵列上方放置对电极，所述对电极支撑在所述绝缘层上；该步骤完成后的器件结构如图3C所示。

刻蚀结束后，在所述基底1形成所述针状结构3阵列，基底1上的其余区域覆盖有所述绝缘层2。结合聚焦离子束设备的配件机械手与沉积气体注入系统(G I S)，将所述对电极4的材料硅纳米线粘附到机械手上、转移到所述针状结构3阵列上方并与其周围绝缘层接触、释放在所述针状结构3上方，并与外电路形成良好的电接触。

S105:在所述针状结构3的顶端形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。具体地，通过溅射工艺，靶材上的金属材料形成颗粒并沉积在所述针状结构材料3的顶端，同时不可避免地沉积在所述针状结构3的底部、所述绝缘层2的表面、所述对电极4的上表面，如图3D所示，其中图3D中的黑色部分即表示金属材料颗粒。所形成的金属颗粒-针状结构组合而成的异质结构，能在尖端效应上叠加由金属颗粒提供的表面态效应，进一步促进等离子体生成。而沉积在其他位置的金属材料，并不会对等离子体的产生、气体放电电流传感信号的传输造成影响，相反，能一定程度上地减小电阻，降低信号的线路损耗。

本发明提供的等离子体气体传感器的制造方法，仅利用局部区域即形成了可靠的等离子体气体传感结构，避免了其他冗余结构的材料损耗、能源消耗以及对传感信号的干扰，耗材少、结构利用率高，达到了高效率、节省、精准的微加工效果。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种等离子体气体传感器，其特征在于，包括：

基底；

针状结构阵列，由所述基底的特定区域进行刻蚀形成,所述针状结构阵列包括若干针状结构，且所述若干针状结构的顶端与金属颗粒形成异质结结构；

绝缘层，形成在所述特定区域外的所述基底上；

对电极，设置在所述针状结构阵列的上方，且由所述绝缘层支撑。

2.如权利要求1所述的等离子体气体传感器，其特征在于，所述对电极为线状或带状结构。

3.如权利要求2所述的等离子体气体传感器，其特征在于，所述对电极的宽度不超过200纳米。

4.如权利要求1所述的等离子体气体传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度不大于1微米。

5.如权利要求1所述的等离子体气体传感器，其特征在于，单个针状结构的顶端直径不超过200纳米。

6.如权利要求1所述的等离子体气体传感器，其特征在于，所述基底为硅片。

7.如权利要求1所述的等离子体气体传感器，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅。

8.如权利要求1所述的等离子体气体传感器，其特征在于，所述对电极为硅纳米线、碳化硅纳米线、氧化锌纳米线、磷化镓纳米带、砷化镓纳米线的任一种。

9.一种等离子体气体传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:提供一基底；

S2:在所述基底上形成一绝缘层；

S3:对所述基底的一特定区域进行刻蚀，形成针状结构阵列，所述针状结构阵列包括若干针状结构；

S4:将对电极设置在所述针状结构阵列的上方，所述对电极由所述绝缘层支撑；

S5:在所述针状结构的顶端形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。

10.如权利要求9所述的等离子体气体传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S2与S3之间还包括步骤S23：对所述绝缘层进行图形化，以露出部分基底区域，形成特定区域。

11.如权利要求9所述的等离子体气体传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S3中，通过聚焦离子束直写刻蚀工艺形成所述针尖结构阵列。

12.如权利要求9所述的等离子体气体传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S3中，通过图形化的硅湿法各向异性刻蚀工艺形成所述针尖结构阵列。

13.如权利要求9所述的等离子体气体传感器的制造方法，其特征在于，在步骤S4中，通过机械手将所述对电极转移至所述针状结构上方并由所述绝缘层支撑。

14.如权利要求9所述的等离子体气体传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：通过溅射工艺在所述针尖结构表面形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。