CN1793892A - 基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种微细加工技术领域的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，包括如下步骤：(1)衬底的清洗，(2)底电极层的制备，(3)金属支柱层的制备，(4)金属顶电极层的制备，(5)去除微铸模。本发明提出使用标准微电子加工技术中图形转换技术和金属微电铸技术，作为实现基于一维纳米材料的微气体传感器的制造工艺，可以极大提高对该种传感器核心结构要素的控制精度和器件结构设计的灵活性。因此可以极大提高器件的性能，包括提高精度、敏感度、安全性、稳定性和降低能耗与成本。并可以方便地实现器件的阵列化设计，并方便实现微型智能传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细加工技术领域的方法，具体的说，是涉及一种基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法。
技术背景
基于气体分子在电场中的电离与由此而产生的带电粒子输运为机理的传感器，可以用于传感不同气体成分与含量信息，相对于其他类型的传感器，这种传感器的主要优点在于它有很高的选择性。
经对现有技术的文献检索发现，Zhang Yong等人在Sensors an Actuators A(传感器与执行器A)2005年第125卷，第15-24页上的文章“Study of improvingidentification accuracy of carbon nanotube film cathode gas sensor(关于提高碳纳米管薄膜阴极气体传感器识别精度的研究)”。文章使用碳纳米管薄膜作为阴极材料，降低了离化传感器的工作电压，但文章中所使用的传感器器件是用聚酯树脂(Polyset)的厚度来控制阴阳两极的高度，而该层聚酯树脂只能靠简单堆叠的方法构建器件结构，而很难实现高精度的批量加工，因此器件结构中的核心要素——电极形状与尺寸和电极间距都很难被高精度地控制。事实上，该文献反映了整个基于一维纳米材料，尤其是基于碳纳米管的离化气体传感器在器件结构与制造工艺上的研究现状，那就是既缺少适于使用先进加工技术的合适的器件结构以及设计策略，又缺少合适的高精度的器件加工方法。这种现状极大限制了此类器件的发展，而又由于此类器件在高精密度气体传感器领域有重要应用，因此也限制了这一领域的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，使其可以极大提高对该种传感器核心结构要素的控制精度，并适于加工实现阵列化设计和批量生产，因此可以提高此类传感器的检测精度、敏感度、安全性、稳定性和降低能耗与成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：(1)衬底的清洗，(2)底电极层的制备，(3)金属支柱层的制备，(4)金属顶电极层的制备，(5)去除微铸模，其中，
所述的(2)中，将底电极金属层图形化形成金属底电极和电铸种子层，金属底电极和电铸种子层相互隔离，一维纳米材料层处于每一个金属底电极表面，构成一个底电极单元，每个底电极单元可以构成独立单元，也可以多个底电极单元相互连通构成底电极阵列；
所述的(3)中，利用感光材料制造金属微铸模，并作为包含一维纳米材料空腔结构的牺牲层，利用感光材料层的厚度可以在几微米到几十微米的范围内控制一维纳米材料层与金属顶电极层的间距；
所述的(4)中，在顶电极金属种子层以及电铸金属层的图形上制造利于去除下层感光材料牺牲层的空洞结构。
所述的(5)，微铸模的去除，是指：在溶解感光材料的化学溶液中浸泡去除感光材料；或者在去除感光材料以后，再用反应离子刻蚀处理。
所述的衬底，其表面具有高绝缘性能。
所述的底电极层，可以是单层或者多层薄膜，包括金属层以及其表面覆盖的一维纳米材料层。
所述的金属顶电极层，可以是单层或者多层薄膜。
本发明提出使用标准微电子加工技术中图形转换技术和金属微电铸技术，作为实现基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法。由于图形转换技术和金属微电铸技术均属于高精度、适于批量生产的加工手段，因此可以极大提高对该种传感器核心结构要素的控制精度和器件结构设计的灵活性。因此可以极大提高器件的性能，包括提高精度、敏感度、安全性、稳定性和降低能耗与成本。并可以方便地实现器件的阵列化设计，并方便实现微型智能传感器。
附图说明
图1是本发明衬底的清洗的示意图
图2是本发明底电极的制备的示意图
其中，图2.1是在衬底a上制备图形化的单层或者多层金属薄膜b；图2.2是将一维纳米材料薄膜c选择性地布置在金属薄膜b的表面。
图3是本发明金属支柱层的制备的示意图
其中，图3.1是感光材料d的图形化；图3.2是金属微电铸。
图4是本发明金属顶电极的制备的示意图
其中，图4.1是金属种子层的制备；图4.2是感光材料的图形化；图4.3是金属种子层的图形化；图4.4是金属微电铸。
图5是本发明去除微铸模的示意图
图6是本发明具体实施例加工的传感器在不同气体中的放电特征曲线。
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明包括如下步骤：(1)衬底的清洗，(2)底电极层的制备，(3)金属支柱层的制备，(4)金属顶电极层的制备，(5)去除微铸模，其中，
所述的(2)中，将底电极金属层图形化形成金属底电极和电铸种子层，金属底电极和电铸种子层相互隔离，一维纳米材料层处于每一个金属底电极表面，构成一个底电极单元，每个底电极单元可以构成独立单元，也可以多个底电极单元相互连通构成底电极阵列；
所述的(3)中，利用感光材料制造金属微铸模，并作为包含一维纳米材料空腔结构的牺牲层，利用感光材料层的厚度在几微米到几十微米的范围内控制一维纳米材料层与金属顶电极层的间距；
所述的(4)中，在顶电极金属种子层以及电铸金属层的图形上制造利于去除下层感光材料牺牲层的空洞结构。
所述的(5)，微铸模的去除，是指：在溶解感光材料的化学溶液中浸泡去除感光材料；或者在去除感光材料以后，再用反应离子刻蚀处理。
所述的(1)中，衬底a，其表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的(2)中，底电极层是单层或者多层薄膜，包括金属层b以及其表面覆盖的一维纳米材料层c。所述的金属可以采用铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。所述的一维纳米材料层c，其一维纳米材料可以是碳纳米管、纳米碳纤维、纳米碳化硅纤维、纳米氧化锌纤维。
所述的(3)中，金属支柱层可以是单层或者多层金属薄膜。其金属可以为铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。
所述的(4)中，金属顶电极层可以是单层或者多层金属薄膜，包括金属种子层和电铸金属层。
所述的(5)中，微铸模是一种感光材料。
本发明使用标准微电子加工技术中图形转换技术和金属微电铸技术，作为实现基于一维纳米材料的微气体传感器的制造，而图形转换技术和金属微电铸技术均属于高精度、适于批量生产的加工手段。当代微电子加工技术是由膜技术尤其是多层膜技术和图形化技术为基础建立起来的，其加工精度可以达到纳米数量级。本发明充分利用了图形化技术形成高精度的电极图形，并形成高精度的感光材料微铸模图形，并以感光材料为牺牲层、利用金属微电铸技术构建含有立体空腔的多层结构。本发明的特征还在于，可以完全利用高选择性、低成本的湿法刻蚀工艺图形化各层薄膜，避免了干法刻蚀对结构和材料的破坏作用，并节约了时间、降低了成本。本发明建立立体空腔复杂结构的主要步骤只有五步，其每步组成均为标准微电子加工工艺，因此工艺简单易于量产。
实施例
(1)衬底的清洗。所使用的衬底a为玻璃，清洗过程在净化室中进行，包括依次用丙酮、酒精超声清洗3分钟，再用去离子水冲洗，并依次在60摄氏度和180摄氏度的烘箱中烘干并随炉冷却。
(2)底电极的制备。
(2.1)在衬底a上制备图形化的单层或者多层金属薄膜b：在衬底a上用磁控溅射方法依次沉积1微米的钛，作为金属层b，然后旋涂3微米正性光刻胶d，并依次在60摄氏度和90摄氏度烘箱中烘烤样品30分钟、90分钟以固化光刻胶d；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光30秒，在显影液中图形化光刻胶；然后用50％氢氟酸浸泡样品，图形化钛金属层，使之形成隔离的部分合连通的部分；用丙酮超声样品3分钟去除光刻胶，用去离子水冲洗并在90摄氏度烘箱中烘干，然后随炉冷却。
(2.2)将一维纳米材料薄膜c选择性地布置在金属薄膜b的隔离部分表面：将碳纳米管浆料用350目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜b表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到2微米平均厚度的一维纳米材料薄膜c，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为1∶100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(3)金属支柱层的制备
(3.1)感光材料d的图形化：在样片表面旋涂5微米正性光刻胶，并依次在60摄氏度和90摄氏度烘箱中烘烤样品30分钟、90分钟以固化光刻胶d；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光45秒，在显影液中图形化光刻胶。
(3.2)金属微电铸：用金属电镀的方法，利用图形化的光刻胶作为微铸模，选择性地在金属薄膜b的连通部分电铸5微米厚度的镍。
(4)顶电极的制备
(4.1)金属种子层的制备：用磁控溅射方法依次溅射30纳米的铬和50纳米的铜作为金属种子层。
(4.2)感光材料d的图形化：在金属种子层d表面旋涂3微米正性光刻胶d，并在80摄氏度烘箱中烘烤样品40分钟以固化光刻胶d；然后用铬版作为掩模板，用汞灯紫外曝光机曝光30秒，在显影液中图形化光刻胶。
(4.3)金属种子层的图形化：在图形化的光刻胶的保护下，依次在氯化铁水溶液和质量比1∶5高氯酸与硝酸氨的水溶液中浸泡样品，湿法刻蚀金属层，使之图形化，然后将光刻胶去除。
(4.4)金属微电铸：在已经图形化形成空洞结构的铬-铜金属薄膜层的表面选择性地电铸金属镍10微米。
(5)微铸模的去除：将样品浸泡于丙酮溶液中3分钟，在50摄氏度烘箱中烘干。
最终得到的单一器件电极部分尺寸为1×1毫米，碳纳米管电极与金属顶电极的平均间距约为3微米。图6是该器件在不同气体中的放电特征曲线。由图可见，该工艺制造的器件可以高精度地控制电极间距，进而大幅度降低器件的工作电压至1伏特左右的水平。
Claims (7)
1、一种基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)衬底的清洗；
(2)底电极层的制备，将底电极金属层图形化形成金属底电极和电铸种子层，金属底电极和电铸种子层相互隔离，一维纳米材料层处于每一个金属底电极表面，构成一个底电极单元；
(3)金属支柱层的制备，利用感光材料制造金属微铸模，并作为包含一维纳米材料空腔结构的牺牲层，利用感光材料层的厚度在几微米到几十微米的范围内控制一维纳米材料层与金属顶电极层的间距；
(4)金属顶电极层的制备，在顶电极金属种子层以及电铸金属层的图形上制造利于去除下层感光材料牺牲层的空洞结构；
(5)去除微铸模。
2、如权利要求1所述的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征是，所述的步骤(1)中，衬底表面具有高绝缘性能。
3、如权利要求1所述的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征是，所述的步骤(2)中，底电极层是单层或者多层薄膜，包括金属层以及其表面覆盖的一维纳米材料层。
4、如权利要求1或者3所述的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征是，所述的步骤(2)中，每个底电极单元构成独立单元，或多个底电极单元相互连通构成底电极阵列。
5、如权利要求1所述的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征是，所述的步骤(4)中，金属顶电极层是单层或者多层金属薄膜。
6、如权利要求1所述的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征是，所述的步骤(5)，微铸模的去除，是指：在溶解感光材料的化学溶液中浸泡去除感光材料；或者在去除感光材料以后，再用反应离子刻蚀处理。
7、如权利要求1或者6所述的基于一维纳米材料的微气体传感器的制造方法，其特征是，所述的步骤(5)中，微铸模是一种感光材料。
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