專利名稱：基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體的說(shuō)，是涉及一種基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法。
背景技術(shù)：
基于氣體分子在電場(chǎng)中的電離與由此而產(chǎn)生的帶電粒子輸運(yùn)為機(jī)理的傳感器，可以用于傳感不同氣體成分與含量信息，相對(duì)于其他類型的傳感器，這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)在于它有很高的選擇性。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Zhang Yong等人在Sensors an Actuators A(傳感器與執(zhí)行器A)2005年第125卷，第15-24頁(yè)上的文章“Study of improvingidentification accuracy of carbon nanotube film cathode gas sensor(關(guān)于提高碳納米管薄膜陰極氣體傳感器識(shí)別精度的研究)”。文章使用碳納米管薄膜作為陰極材料，降低了離化傳感器的工作電壓，但文章中所使用的傳感器器件是用聚酯樹(shù)脂(Polyset)的厚度來(lái)控制陰陽(yáng)兩極的高度，而該層聚酯樹(shù)脂只能靠簡(jiǎn)單堆疊的方法構(gòu)建器件結(jié)構(gòu)，而很難實(shí)現(xiàn)高精度的批量加工，因此器件結(jié)構(gòu)中的核心要素——電極形狀與尺寸和電極間距都很難被高精度地控制。事實(shí)上，該文獻(xiàn)反映了整個(gè)基于一維納米材料，尤其是基于碳納米管的離化氣體傳感器在器件結(jié)構(gòu)與制造工藝上的研究現(xiàn)狀，那就是既缺少適于使用先進(jìn)加工技術(shù)的合適的器件結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)策略，又缺少合適的高精度的器件加工方法。這種現(xiàn)狀極大限制了此類器件的發(fā)展，而又由于此類器件在高精密度氣體傳感器領(lǐng)域有重要應(yīng)用，因此也限制了這一領(lǐng)域的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，使其可以極大提高對(duì)該種傳感器核心結(jié)構(gòu)要素的控制精度，并適于加工實(shí)現(xiàn)陣列化設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)，因此可以提高此類傳感器的檢測(cè)精度、敏感度、安全性、穩(wěn)定性和降低能耗與成本。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟(1)襯底的清洗，(2)底電極層的制備，(3)金屬支柱層的制備，(4)金屬頂電極層的制備，(5)去除微鑄模，其中，所述的(2)中，將底電極金屬層圖形化形成金屬底電極和電鑄種子層，金屬底電極和電鑄種子層相互隔離，一維納米材料層處于每一個(gè)金屬底電極表面，構(gòu)成一個(gè)底電極單元，每個(gè)底電極單元可以構(gòu)成獨(dú)立單元，也可以多個(gè)底電極單元相互連通構(gòu)成底電極陣列；所述的(3)中，利用感光材料制造金屬微鑄模，并作為包含一維納米材料空腔結(jié)構(gòu)的犧牲層，利用感光材料層的厚度可以在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)控制一維納米材料層與金屬頂電極層的間距；所述的(4)中，在頂電極金屬種子層以及電鑄金屬層的圖形上制造利于去除下層感光材料犧牲層的空洞結(jié)構(gòu)。
所述的(5)，微鑄模的去除，是指在溶解感光材料的化學(xué)溶液中浸泡去除感光材料；或者在去除感光材料以后，再用反應(yīng)離子刻蝕處理。
所述的襯底，其表面具有高絕緣性能。
所述的底電極層，可以是單層或者多層薄膜，包括金屬層以及其表面覆蓋的一維納米材料層。
所述的金屬頂電極層，可以是單層或者多層薄膜。
本發(fā)明提出使用標(biāo)準(zhǔn)微電子加工技術(shù)中圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)和金屬微電鑄技術(shù)，作為實(shí)現(xiàn)基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法。由于圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)和金屬微電鑄技術(shù)均屬于高精度、適于批量生產(chǎn)的加工手段，因此可以極大提高對(duì)該種傳感器核心結(jié)構(gòu)要素的控制精度和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。因此可以極大提高器件的性能，包括提高精度、敏感度、安全性、穩(wěn)定性和降低能耗與成本。并可以方便地實(shí)現(xiàn)器件的陣列化設(shè)計(jì)，并方便實(shí)現(xiàn)微型智能傳感器。


圖1是本發(fā)明襯底的清洗的示意2是本發(fā)明底電極的制備的示意圖其中，圖2.1是在襯底a上制備圖形化的單層或者多層金屬薄膜b；圖2.2是將一維納米材料薄膜c選擇性地布置在金屬薄膜b的表面。
圖3是本發(fā)明金屬支柱層的制備的示意圖其中，圖3.1是感光材料d的圖形化；圖3.2是金屬微電鑄。
圖4是本發(fā)明金屬頂電極的制備的示意圖其中，圖4.1是金屬種子層的制備；圖4.2是感光材料的圖形化；圖4.3是金屬種子層的圖形化；圖4.4是金屬微電鑄。
圖5是本發(fā)明去除微鑄模的示意6是本發(fā)明具體實(shí)施例加工的傳感器在不同氣體中的放電特征曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1-圖5所示，本發(fā)明包括如下步驟(1)襯底的清洗，(2)底電極層的制備，(3)金屬支柱層的制備，(4)金屬頂電極層的制備，(5)去除微鑄模，其中，所述的(2)中，將底電極金屬層圖形化形成金屬底電極和電鑄種子層，金屬底電極和電鑄種子層相互隔離，一維納米材料層處于每一個(gè)金屬底電極表面，構(gòu)成一個(gè)底電極單元，每個(gè)底電極單元可以構(gòu)成獨(dú)立單元，也可以多個(gè)底電極單元相互連通構(gòu)成底電極陣列；所述的(3)中，利用感光材料制造金屬微鑄模，并作為包含一維納米材料空腔結(jié)構(gòu)的犧牲層，利用感光材料層的厚度在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)控制一維納米材料層與金屬頂電極層的間距；所述的(4)中，在頂電極金屬種子層以及電鑄金屬層的圖形上制造利于去除下層感光材料犧牲層的空洞結(jié)構(gòu)。
所述的(5)，微鑄模的去除，是指在溶解感光材料的化學(xué)溶液中浸泡去除感光材料；或者在去除感光材料以后，再用反應(yīng)離子刻蝕處理。
所述的(1)中，襯底a，其表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的硅片，絕緣層材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它絕緣襯底。
所述的(2)中，底電極層是單層或者多層薄膜，包括金屬層b以及其表面覆蓋的一維納米材料層c。所述的金屬可以采用鉻、銅、金、鉑金、鋁、鎳、鐵-鎳、鎳-銅。所述的一維納米材料層c，其一維納米材料可以是碳納米管、納米碳纖維、納米碳化硅纖維、納米氧化鋅纖維。
所述的(3)中，金屬支柱層可以是單層或者多層金屬薄膜。其金屬可以為鉻、銅、金、鉑金、鋁、鎳、鐵-鎳、鎳-銅。
所述的(4)中，金屬頂電極層可以是單層或者多層金屬薄膜，包括金屬種子層和電鑄金屬層。
所述的(5)中，微鑄模是一種感光材料。
本發(fā)明使用標(biāo)準(zhǔn)微電子加工技術(shù)中圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)和金屬微電鑄技術(shù)，作為實(shí)現(xiàn)基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造，而圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)和金屬微電鑄技術(shù)均屬于高精度、適于批量生產(chǎn)的加工手段。當(dāng)代微電子加工技術(shù)是由膜技術(shù)尤其是多層膜技術(shù)和圖形化技術(shù)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的，其加工精度可以達(dá)到納米數(shù)量級(jí)。本發(fā)明充分利用了圖形化技術(shù)形成高精度的電極圖形，并形成高精度的感光材料微鑄模圖形，并以感光材料為犧牲層、利用金屬微電鑄技術(shù)構(gòu)建含有立體空腔的多層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的特征還在于，可以完全利用高選擇性、低成本的濕法刻蝕工藝圖形化各層薄膜，避免了干法刻蝕對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的破壞作用，并節(jié)約了時(shí)間、降低了成本。本發(fā)明建立立體空腔復(fù)雜結(jié)構(gòu)的主要步驟只有五步，其每步組成均為標(biāo)準(zhǔn)微電子加工工藝，因此工藝簡(jiǎn)單易于量產(chǎn)。
實(shí)施例(1)襯底的清洗。所使用的襯底a為玻璃，清洗過(guò)程在凈化室中進(jìn)行，包括依次用丙酮、酒精超聲清洗3分鐘，再用去離子水沖洗，并依次在60攝氏度和180攝氏度的烘箱中烘干并隨爐冷卻。
(2)底電極的制備。
(2.1)在襯底a上制備圖形化的單層或者多層金屬薄膜b在襯底a上用磁控濺射方法依次沉積1微米的鈦，作為金屬層b，然后旋涂3微米正性光刻膠d，并依次在60攝氏度和90攝氏度烘箱中烘烤樣品30分鐘、90分鐘以固化光刻膠d；然后用鉻版作為掩模板，用汞燈紫外曝光機(jī)曝光30秒，在顯影液中圖形化光刻膠；然后用50％氫氟酸浸泡樣品，圖形化鈦金屬層，使之形成隔離的部分合連通的部分；用丙酮超聲樣品3分鐘去除光刻膠，用去離子水沖洗并在90攝氏度烘箱中烘干，然后隨爐冷卻。
(2.2)將一維納米材料薄膜c選擇性地布置在金屬薄膜b的隔離部分表面將碳納米管漿料用350目絲網(wǎng)印刷方法選擇性地在金屬薄膜b表面成膜，然后在300攝氏度熱處理爐中烘烤20分鐘并隨爐冷卻，得到2微米平均厚度的一維納米材料薄膜c，碳納米管漿料為多壁碳納米管和質(zhì)量比為1∶100的乙基纖維素和松油醇組成的有機(jī)溶液混合而成。
(3)金屬支柱層的制備(3.1)感光材料d的圖形化在樣片表面旋涂5微米正性光刻膠，并依次在60攝氏度和90攝氏度烘箱中烘烤樣品30分鐘、90分鐘以固化光刻膠d；然后用鉻版作為掩模板，用汞燈紫外曝光機(jī)曝光45秒，在顯影液中圖形化光刻膠。
(3.2)金屬微電鑄用金屬電鍍的方法，利用圖形化的光刻膠作為微鑄模，選擇性地在金屬薄膜b的連通部分電鑄5微米厚度的鎳。
(4)頂電極的制備(4.1)金屬種子層的制備用磁控濺射方法依次濺射30納米的鉻和50納米的銅作為金屬種子層。
(4.2)感光材料d的圖形化在金屬種子層d表面旋涂3微米正性光刻膠d，并在80攝氏度烘箱中烘烤樣品40分鐘以固化光刻膠d；然后用鉻版作為掩模板，用汞燈紫外曝光機(jī)曝光30秒，在顯影液中圖形化光刻膠。
(4.3)金屬種子層的圖形化在圖形化的光刻膠的保護(hù)下，依次在氯化鐵水溶液和質(zhì)量比1∶5高氯酸與硝酸氨的水溶液中浸泡樣品，濕法刻蝕金屬層，使之圖形化，然后將光刻膠去除。
(4.4)金屬微電鑄在已經(jīng)圖形化形成空洞結(jié)構(gòu)的鉻-銅金屬薄膜層的表面選擇性地電鑄金屬鎳10微米。
(5)微鑄模的去除將樣品浸泡于丙酮溶液中3分鐘，在50攝氏度烘箱中烘干。
最終得到的單一器件電極部分尺寸為1×1毫米，碳納米管電極與金屬頂電極的平均間距約為3微米。圖6是該器件在不同氣體中的放電特征曲線。由圖可見(jiàn)，該工藝制造的器件可以高精度地控制電極間距，進(jìn)而大幅度降低器件的工作電壓至1伏特左右的水平。
權(quán)利要求
1.一種基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟(1)襯底的清洗；(2)底電極層的制備，將底電極金屬層圖形化形成金屬底電極和電鑄種子層，金屬底電極和電鑄種子層相互隔離，一維納米材料層處于每一個(gè)金屬底電極表面，構(gòu)成一個(gè)底電極單元；(3)金屬支柱層的制備，利用感光材料制造金屬微鑄模，并作為包含一維納米材料空腔結(jié)構(gòu)的犧牲層，利用感光材料層的厚度在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)控制一維納米材料層與金屬頂電極層的間距；(4)金屬頂電極層的制備，在頂電極金屬種子層以及電鑄金屬層的圖形上制造利于去除下層感光材料犧牲層的空洞結(jié)構(gòu)；(5)去除微鑄模。
2.如權(quán)利要求1所述的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征是，所述的步驟(1)中，襯底表面具有高絕緣性能。
3.如權(quán)利要求1所述的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征是，所述的步驟(2)中，底電極層是單層或者多層薄膜，包括金屬層以及其表面覆蓋的一維納米材料層。
4.如權(quán)利要求1或者3所述的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征是，所述的步驟(2)中，每個(gè)底電極單元構(gòu)成獨(dú)立單元，或多個(gè)底電極單元相互連通構(gòu)成底電極陣列。
5.如權(quán)利要求1所述的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征是，所述的步驟(4)中，金屬頂電極層是單層或者多層金屬薄膜。
6.如權(quán)利要求1所述的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征是，所述的步驟(5)，微鑄模的去除，是指在溶解感光材料的化學(xué)溶液中浸泡去除感光材料；或者在去除感光材料以后，再用反應(yīng)離子刻蝕處理。
7.如權(quán)利要求1或者6所述的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，其特征是，所述的步驟(5)中，微鑄模是一種感光材料。
全文摘要
一種微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造方法，包括如下步驟(1)襯底的清洗，(2)底電極層的制備，(3)金屬支柱層的制備，(4)金屬頂電極層的制備，(5)去除微鑄模。本發(fā)明提出使用標(biāo)準(zhǔn)微電子加工技術(shù)中圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)和金屬微電鑄技術(shù)，作為實(shí)現(xiàn)基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造工藝，可以極大提高對(duì)該種傳感器核心結(jié)構(gòu)要素的控制精度和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。因此可以極大提高器件的性能，包括提高精度、敏感度、安全性、穩(wěn)定性和降低能耗與成本。并可以方便地實(shí)現(xiàn)器件的陣列化設(shè)計(jì)，并方便實(shí)現(xiàn)微型智能傳感器。
文檔編號(hào)H01L49/00GK1793892SQ20051011221
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者侯中宇, 張亞非, 蔡炳初, 徐東, 魏星 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)