本發(fā)明涉及一種電極陣列及其制備方法，具體講涉及一種納米電極陣列及其制備方法。
背景技術(shù)：
氣體傳感器是將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等識(shí)別的裝置。
氣體傳感器種類繁多，如電離型氣體傳感器、化學(xué)吸附式氣體傳感器和紅外線氣體傳感器?；跉怏w電離原理的電離型氣體傳感器，包括連接在高壓的單個(gè)或者多個(gè)曲率半徑很小的針狀尖端電極和連接地的大曲率半徑電極(如平板電極)，通過(guò)測(cè)量擊穿電壓及放電時(shí)電流－電壓關(guān)系，得到周圍環(huán)境中氣體種類及濃度信息。電離型氣體傳感器可以在室溫下工作，與化學(xué)吸附式氣體傳感器相比，具有可指紋性識(shí)別不同種類氣體、不易吸附待測(cè)氣體、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。
電離型氣體傳感器中針狀尖端電極曲率半徑對(duì)放電特性具有決定性影響，針狀尖端電極曲率半徑越小，越容易實(shí)現(xiàn)放電，放電電壓越低，傳感器的測(cè)量靈敏度越高。針狀尖端電極一般采用化學(xué)氣相沉積法制備的多壁碳納米管或陽(yáng)極氧化鋁模板法制備的金屬氧化物及金屬納米纖維。
采用MEMS技術(shù)可以獲得曲率半徑為納米級(jí)的尖端電極。有效降低放電電壓，簡(jiǎn)化傳感器高壓電路并有助于提高穩(wěn)定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種納米電極陣列，該納米電極陣列放電起暈電壓為500-700V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他納米電極陣列的放電起暈電壓1000V以上。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
一種納米電極陣列，包括其上均勻垂直設(shè)置等高硅尖陣列2的硅片襯底1，設(shè)置硅尖陣列2一側(cè)的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，位于硅尖陣列2峰頂?shù)慕饘俦∧?設(shè)有納米顆粒4。
進(jìn)一步的，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設(shè)于凹槽的凹陷部，其高度與凹 槽兩凸塊的高度相等，厚度為100μm-1000μm，硅片襯底1為方形或圓形。
進(jìn)一步的，硅尖陣列2為均勻分布的圓臺(tái)陣列，圓臺(tái)下底面間距為1μm-100μm；圓臺(tái)上下直徑分別為0.5μm-1μm和5μm-100μm，高度為5μm-800μm。
進(jìn)一步的，金屬薄膜層3厚度為10nm-300nm，金屬薄膜層3選用Au、Pt、Cr或W，金屬薄膜層3為單層。
進(jìn)一步的，納米顆粒4為金屬納米顆粒和/或金屬氧化物納米顆粒，納米顆粒4為直徑為1nm-100nm的球形顆粒。
進(jìn)一步的，金屬納米顆粒為Au、Pt、Cr、或W納米顆粒；金屬氧化物納米顆粒為ZnO、SnO2或WO3納米顆粒。
本發(fā)明的另一目的在于提供了一種納米電極陣列的制備方法，包括如下步驟：
(1)于清洗后的硅片襯底1表面熱氧化形成二氧化硅膜，光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對(duì)稱的二氧化硅掩膜，用HF緩沖液去除硅濕法腐蝕制備微米級(jí)硅尖陣列的二氧化硅；
進(jìn)一步的，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片；
進(jìn)一步的，熱氧化制備二氧化硅。
進(jìn)一步的，熱氧化為濕氧氧化，反應(yīng)溫度為600-1000℃,形成二氧化硅膜的厚度為10nm-200nm；
利用硅各向異性腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2；
影響刻蝕形狀的因素主要有刻蝕液、刻蝕溫度、刻蝕添加物、掩膜補(bǔ)償和自停止技術(shù)等。
具有一定密度和穩(wěn)定的表面活性劑分子薄膜能夠針對(duì)外部環(huán)境侵蝕和老化提供靈活有效的保護(hù)方式。表面活性劑的加入為使各向異性濕法刻蝕后獲得光滑的刻蝕表面。表面活性劑分子具有吸附性，該種刻蝕技術(shù)能控制刻蝕結(jié)構(gòu)形貌的變化。
表面活性劑選用TritonX-100或NC-200。
(2)用薄膜沉積法在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3；
(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設(shè)納米顆粒4形成納米尖端；
(4)大氣或氮?dú)夥罩?00℃～600℃下高溫?zé)Y(jié)30min～2h,提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。
進(jìn)一步的，步驟(1)的硅濕法腐蝕的腐蝕溶液為KOH溶液或四甲基氫氧化銨(TMAH) 溶液，于濕法腐蝕操作臺(tái)上腐蝕，溫度為室溫；
KOH表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，針對(duì)所有晶面具有約100的較大的刻蝕速率比，對(duì)刻蝕結(jié)構(gòu)形狀的良好控制性。KOH溶液毒性小，使用后的廢棄液體容易處理。SiO2掩膜在長(zhǎng)時(shí)間刻蝕中會(huì)被大量或完全去掉。通常Si與SiO2掩膜的刻蝕選擇比約為150。
進(jìn)一步的，步驟(2)的薄膜沉積方法包括濺射或熱蒸發(fā)，沉積時(shí)間為10min～2h；磁控濺射工藝參數(shù)：濺射功率20W，濺射氣壓0.5Pa；濺射金屬膜層厚度由濺射時(shí)間控制，時(shí)間為10-30min。
進(jìn)一步的，步驟(4)高溫?zé)Y(jié)于濕法刻蝕設(shè)備中進(jìn)行，濕法刻蝕設(shè)備為馬弗爐或程控管式爐。
與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果包括：
1.本發(fā)明中的納米電極陣列，體積小、密度大、尖端曲率半徑小，可用于電離型氣體傳感器低成本、大批量制備。
2.本發(fā)明中的納米電極陣列，增大了放電區(qū)域，提高檢測(cè)的線性范圍和靈敏度，減小每個(gè)尖端電極的放電電流，延緩電極老化過(guò)程，延長(zhǎng)傳感器壽命。
3.本發(fā)明中的納米電極陣列制備的氣體傳感器具有高靈敏度、高選擇性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、便攜、低成本現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
4.本發(fā)明中的納米電極陣列放電起暈電壓為500-700V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他納米電極陣列的放電起暈電壓1000V以上。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的電極陣列結(jié)構(gòu)圖；
其中(1)硅襯底,(2)硅尖陣列,(3)金屬薄膜層,(4)納米顆粒。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1：
按如下步驟制備納米電極陣列：
(1)于清洗后的厚度為100μm的方形硅片襯底1表面濕氧氧化形成二氧化硅膜，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片，反應(yīng)溫度為600℃，形成二氧化硅膜的厚度為10nm；光 刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對(duì)稱的二氧化硅掩膜，利用硅各向異性硅濕法腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2，腐蝕溶液為KOH溶液，于濕法腐蝕操作臺(tái)上腐蝕，溫度為室溫；用HF緩沖液去除硅尖陣列的二氧化硅；
表面活性劑選用TritonX-100。
形成的硅片襯底1上均勻垂直設(shè)置等高硅尖陣列2，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設(shè)于凹槽的凹陷部，其高度與凹槽兩凸塊的高度相等，硅尖陣列2為均勻分布的圓臺(tái)陣列，圓臺(tái)下底面間距為1μm；圓臺(tái)上下直徑分別為0.5μm和5μm，高度為5μm。
(2)用濺射法在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3，磁控濺射工藝參數(shù)：濺射功率20W/cm2，濺射氣壓0.5Pa；濺射金屬膜層厚度由濺射時(shí)間控制，時(shí)間為10min。
設(shè)置硅尖陣列2一側(cè)的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，金屬薄膜層3厚度為10nm，金屬薄膜層3選用Au，金屬薄膜層3為單層。
(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設(shè)納米顆粒4形成納米尖端；
位于硅尖陣列2峰頂?shù)慕饘俦∧?設(shè)有納米顆粒4。
納米顆粒4為直徑為1nm的球形Au顆粒。
(4)于馬弗爐中大氣氛圍中600℃下高溫?zé)Y(jié)30min，提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。
制備的納米電極陣列放電起暈電壓為600V。
實(shí)施例2：
按如下步驟制備納米電極陣列：
(1)于清洗后的厚度為1000μm的圓形硅片襯底1表面濕氧氧化形成二氧化硅膜，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片，反應(yīng)溫度為1000℃，形成二氧化硅膜的厚度為200nm；光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對(duì)稱的二氧化硅掩膜，利用硅各向異性硅濕法腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2，腐蝕溶液為四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，于濕法腐蝕操作臺(tái)上腐蝕，溫度為室溫；用HF緩沖液去除硅尖陣列的二氧化硅；
表面活性劑選用NC-200。
形成的硅片襯底1上均勻垂直設(shè)置等高硅尖陣列2，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設(shè)于凹槽的凹陷部，其高度與凹槽兩凸塊的高度相等，硅尖陣列2為均勻分布的圓 臺(tái)陣列，圓臺(tái)下底面間距為100μm；圓臺(tái)上下直徑分別為1μm和100μm，高度為800μm。
(2)用熱蒸發(fā)在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3。
設(shè)置硅尖陣列2一側(cè)的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，金屬薄膜層3厚度為300nm，金屬薄膜層3選用Pt，金屬薄膜層3為單層。
(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設(shè)納米顆粒4形成納米尖端；
位于硅尖陣列2峰頂?shù)慕饘俦∧?設(shè)有納米顆粒4。
納米顆粒4為直徑為100nm的球形Pt顆粒。
(4)于程控管式爐中氮?dú)夥罩?00℃下高溫?zé)Y(jié)2h,提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。
制備的納米電極陣列放電起暈電壓為700V。
實(shí)施例3：
按如下步驟制備納米電極陣列：
(1)于清洗后的厚度為500μm的方形硅片襯底1表面濕氧氧化形成二氧化硅膜，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片，反應(yīng)溫度為800℃，形成二氧化硅膜的厚度為100nm；光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對(duì)稱的二氧化硅掩膜，利用硅各向異性硅濕法腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2，腐蝕溶液為KOH溶液，于濕法腐蝕操作臺(tái)上腐蝕，溫度為室溫；用HF緩沖液去除硅尖陣列的二氧化硅；
表面活性劑選用TritonX-100。
形成的硅片襯底1上均勻垂直設(shè)置等高硅尖陣列2，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設(shè)于凹槽的凹陷部，其高度與凹槽兩凸塊的高度相等，硅尖陣列2為均勻分布的圓臺(tái)陣列，圓臺(tái)下底面間距為50μm；圓臺(tái)上下直徑分別為0.5μm和50μm，高度為400μm。
(2)用濺射法在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3，磁控濺射工藝參數(shù)：濺射功率20W/cm2，濺射氣壓0.5Pa；濺射金屬膜層厚度由濺射時(shí)間控制，時(shí)間為20min。
設(shè)置硅尖陣列2一側(cè)的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，金屬薄膜層3厚度為100nm，金屬薄膜層3選用Cr，金屬薄膜層3為單層。
(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設(shè)納米顆粒4形成納米尖端；
位于硅尖陣列2峰頂?shù)慕饘俦∧?設(shè)有納米顆粒4。
納米顆粒4為直徑為50nm的球形Cr顆粒。
(4)于馬弗爐中大氣氛圍中400℃下高溫?zé)Y(jié)1h,提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。
制備的納米電極陣列放電起暈電壓為550V。
實(shí)施例4：
按如下步驟制備納米電極陣列：
(1)于清洗后的厚度為100μm的方形硅片襯底1表面濕氧氧化形成二氧化硅膜，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片，反應(yīng)溫度為600℃，形成二氧化硅膜的厚度為10nm；光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對(duì)稱的二氧化硅掩膜，利用硅各向異性硅濕法腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2，腐蝕溶液為KOH溶液，于濕法腐蝕操作臺(tái)上腐蝕，溫度為室溫；用HF緩沖液去除硅尖陣列的二氧化硅；
表面活性劑選用TritonX-100。
形成的硅片襯底1上均勻垂直設(shè)置等高硅尖陣列2，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設(shè)于凹槽的凹陷部，其高度與凹槽兩凸塊的高度相等，硅尖陣列2為均勻分布的圓臺(tái)陣列，圓臺(tái)下底面間距為10μm；圓臺(tái)上下直徑分別為0.5μm和50μm，高度為15μm。
(2)用濺射法在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3，磁控濺射工藝參數(shù)：濺射功率20W/cm2，濺射氣壓0.5Pa；濺射金屬膜層厚度由濺射時(shí)間控制，時(shí)間為10min。
設(shè)置硅尖陣列2一側(cè)的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，金屬薄膜層3厚度為10nm，金屬薄膜層3選用Au，金屬薄膜層3為單層。
(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設(shè)納米顆粒4形成納米尖端；
位于硅尖陣列2峰頂?shù)慕饘俦∧?設(shè)有納米顆粒4。
納米顆粒4為直徑為1nm的球形Au顆粒。
(4)于馬弗爐中氮?dú)夥罩?00℃下高溫?zé)Y(jié)30min，提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。
制備的納米電極陣列放電起暈電壓為500V。
最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照 上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。