一種干法制備納米線陣列氣敏元件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種干法制備納米線陣列氣敏元件的方法。本方法為：1）在基片上制備一梳齒狀電極陣列；2）從所述梳齒狀電極陣列中分離出一個電極單元基片；3）將分離出的所述電極單元基片的電極所在面貼到生長有納米線薄膜的基片上，然后沿垂直于電極單元梳齒方向推壓所述電極單元基片，將納米線粘附到所述電極單元基片上，得到納米線陣列氣敏元件。本發(fā)明的氣敏元件氣敏性能高、納米線利用率高，環(huán)保且確保了納米線不受污染和材料本征性能的體現(xiàn)，有利于后續(xù)氣敏機理分析。
【專利說明】一種干法制備納米線陣列氣敏元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣敏元件制備新方法，工藝過程簡單，易于推廣，適合低成本、大規(guī)模、高效生產(chǎn)需要。屬于氣體傳感器研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前半導(dǎo)體氣敏傳感器主要有以下幾種結(jié)構(gòu)類型:(I)燒結(jié)型氣敏器件，其制作是將一定比例的氣敏材料和一些摻雜劑用水或粘合劑調(diào)合，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將混合好的膏狀物倒入模具，埋入加熱絲和測量電極，經(jīng)傳統(tǒng)的制陶方法燒結(jié)。最后將加熱絲和電極焊在管座上，加上特制外殼構(gòu)成器件。(2)薄膜型氣敏器件，其制作采用蒸發(fā)或濺射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜，再引出電極。此方法也適用于生長的納米線薄膜。(3)厚膜型氣敏器件，是將氣敏材料與3%?15%重量的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到裝有鉬電極的氧化鋁基片上，在400?800°C高溫下燒結(jié)I?2小時制成?？梢钥闯鲆陨蠋追N結(jié)構(gòu)均需要消耗大量氣敏原材料來制備氣敏元件。
[0003]對于納米線等一維納米材料而目，除了具有聞比表面積、聞活性、聞結(jié)晶度的特點外，由于其形貌的特殊性，如果能有效將這些一維納米材料集成到器件中將大大降低原材料的消耗從而達到降低成本的目的。具體來說，對于基于單根納米線的氣敏元件，多采用先溶劑分散，后電子束曝光方法進行套刻制備測試用電極(參考文獻:J.M.Baikj M.H.Kimj C.Larson, C.T.Yavuzj G.D.Stuckyj A.M.Wodtkej M.Moskovitsj NanoLett.9 (2009) 3980-3984.；N.M.Kiasari，S.Soltanian，B.Gholamkhassj P.Servatij Sensors and Actuators A182 (2012) 101 - 105.)，然而這種基于單根納米線的傳感器制作成本高、可重復(fù)性差、測量信號弱以及長期使用可靠性等方面并不理想。對于基于多根納米線的氣敏元件，多釆用先制備梳齒狀電極，然后將分散有氣敏材料的溶液滴于上方，最后再蒸干多余溶劑的方法(參考文獻:s.Yij S.Q.Tian, D.1 Zengj K.Xuj S.P.Zhang, C.S.Xiej Sensors and Actuator B185 (2013)345-353.)。
[0004]綜上幾種方法，起主導(dǎo)作用的氣敏材料本身無一例外，均與其他添加材料或溶劑接觸，從而降低了與氣體的接觸面積或影響了氣敏材料本征性能的體現(xiàn)，不利于后續(xù)氣敏機理分析，此外，該種方法在納米線分散過程中也存在損耗量大的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種干法制備納米線陣列氣敏元件的方法，簡化工藝流程，縮短制備時間，提高氣敏材料利用率，最后輔以氣敏性能測試結(jié)果來證實少量納米線可以達到或優(yōu)于納米線薄膜的氣敏性能。資助項目為:國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(N0.61106073)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]—種干法制備納米線陣列氣敏元件的方法，其步驟為:[0008]I)在基片上制備一梳齒狀電極陣列；
[0009]2)從所述梳齒狀電極陣列中分離出一個電極單元基片；
[0010]3)將分離出的所述電極單元基片的電極所在面貼到生長有納米線薄膜的基片上，然后沿垂直于電極單元梳齒方向推壓所述電極單元基片，將納米線粘附到所述電極單元基片上，得到納米線陣列氣敏元件。
[0011]進一步的，制備所述梳齒狀電極陣列的方法為:首先在Si02/Si基片上旋涂光刻膠后曝光制備一梳齒狀圖形陣列；然后依次制備金屬粘附層和金屬層，剝離光刻膠，得到所述梳齒狀電極陣列。
[0012]進一步的，所述金屬粘附層為Ti薄膜；所述金屬層為Pt金屬層。
[0013]進一步的,所述金屬粘附層厚度為5nm ;所述金屬層厚度為45nm。
[0014]進一步的，所述納米線薄膜為氧化銦納米線薄膜。
[0015]進一步的，所述步驟2)的實現(xiàn)方法為:首先在所述梳齒狀電極陣列相鄰兩個電極單元的邊緣中間部位用金剛刀劃一痕跡；然后利用所述梳齒狀電極陣列所在基片的硅襯底晶格取向施力，使相鄰電極單元分開，得到所述電極單元基片。
[0016]進一步的，所述梳齒狀電極陣列的陣列單元間距3mm，梳齒狀電極的線寬/間距為I μ m/9 μ m,線長為 500 μ m。
[0017]本發(fā)明將首先采用光學(xué)曝光技術(shù)在Si02/Si基片上曝光梳齒狀圖形陣列，然后經(jīng)過顯影定影的基片通過電子束鍍膜方法蒸鍍45nm Pt/5nm Ti薄膜，接下來在丙酮中剝離(lift off)后制得測試用梳齒狀電極陣列。分割電極陣列并夾取其中一個電極單元，將電極所在面貼到生長有氧化銦納米線薄膜的基片上，沿垂直于梳齒狀電極梳齒方向輕輕推壓電極單元基片即可將一部分納米線有序粘附到電極基片上。一個納米線薄膜基片可以重復(fù)數(shù)十次來制備這種納米線陣列單元。該方法普適于其他種類的納米線。取一個約3mm*3_的納米線薄膜樣片和一個分散有納米線的電極單元，使用銀漿和鉬絲將兩個樣片分別裝到兩個氣敏測試樣品托上進行氣敏性能對比性實驗。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備的納米線陣列氣敏元件其優(yōu)點為:
[0019]首先是納米線利用率高，在制備過程中，一個的納米線薄膜可以制備出數(shù)十個納米線陣列氣敏單元。其次納米線分散過程不依賴任何有機溶劑，環(huán)保且確保了納米線不受污染和材料本征性能的體現(xiàn)，有利于后續(xù)氣敏機理分析。
[0020]從氣敏效果方面講，分散有多根納米線的梳齒狀電極氣敏單元可以達到或優(yōu)于無序排布的納米線薄膜的氣敏性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明流程圖；
[0022]圖2為分散有氧化銦納米線的氣敏元件顯微鏡照片；
[0023]圖3為納米線陣列對IOOppm乙醇氣體響應(yīng)曲線；
[0024]圖4為納米線薄膜對IOOppm乙醇氣體響應(yīng)曲線。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細描述。本發(fā)明的方法流程如圖1所示，其步驟為:
[0026]a)在Si02/Si(Si02厚度為500nm，襯底為(100)取向硅)基片上旋涂(轉(zhuǎn)速4000r/min) Ιμπι厚AR5350光刻膠，前烘溫度110°C，保溫3min。
[0027]b)采用光學(xué)曝光系統(tǒng)在基片上曝光梳齒狀電極陣列，陣列單元間距3mm，梳齒狀電極的線寬/間距(ly m/9 μ m),線長設(shè)定為500 μ m。曝光參數(shù):曝光波長365nm,曝光時間
2.5s,顯影液AR300_26:H20(1:5),顯影時間15s,定影液為去離子水,定影時間30s。
[0028]c)采用電子束鍍膜方法蒸鍍5nm厚金屬粘附層(比如Ti薄膜)以增加金屬電極與襯底材料的粘附力，然后在已鍍有Ti金屬層的上方再蒸鍍一層45nm厚Pt金屬層，之后在丙酮中剝離，制備得氣敏測試用電極陣列。
[0029]d)制備好的電極陣列利用(100)取向硅襯底的晶格取向并輔以金剛刀進行單元分割。即先在每兩個電極單元所在基片的邊緣中間部位用金剛刀劃一痕跡，然后利用硅襯底晶格取向輕輕施力即可沿劃痕將基片分開。
[0030]e)將分割好的電極單元正面(即金屬層導(dǎo)電面)貼到預(yù)先制備好的納米線薄膜一偵牝沿垂直于梳齒狀電極的梳狀方向輕輕推壓后即可將部分納米線有序粘附到電極單元上，結(jié)果如圖2所示。不同于通過液體分散納米線再滴涂到電極上方烘干制得的方法，本發(fā)明方法無須液體分散，直接粘壓即可得到干凈的有序排列，所用納米線薄膜可以重復(fù)制備數(shù)十個氣敏單元，節(jié)省了原材料和制備納米線的工藝流程，而且比液體分散還要干凈很多。
[0031]取一個約的納米線薄膜樣片和一個分散有納米線的電極單元做氣敏性能對比性實驗，使用銀漿和鉬絲將兩個樣片分別組裝到兩個氣敏測試樣品托上，采用WS-30A氣敏元件測試系統(tǒng)進行氣敏性能測試，加熱電壓為6V，溫度約200°C，其結(jié)果見圖3 (納米線陣列乙醇響應(yīng)曲線)和圖4 (納米線薄膜乙醇響應(yīng)曲線)，其中定義靈敏度為Response=Rair/Rgas (Rair為空氣中電阻，Rgas為乙醇氣氛中電阻)。
【權(quán)利要求】
1.一種干法制備納米線陣列氣敏元件的方法，其步驟為: 1)在基片上制備一梳齒狀電極陣列； 2)從所述梳齒狀電極陣列中分離出一個電極單元基片； 3)將分離出的所述電極單元基片的電極所在面貼到生長有納米線薄膜的基片上，然后沿垂直于電極單元梳齒方向推壓所述電極單元基片，將納米線粘附到所述電極單元基片上，得到納米線陣列氣敏元件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制備所述梳齒狀電極陣列的方法為:首先在Si02/Si基片上旋涂光刻膠后曝光制備一梳齒狀圖形陣列；然后依次制備金屬粘附層和金屬層，剝離光刻膠，得到所述梳齒狀電極陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述金屬粘附層為Ti薄膜；所述金屬層為Pt金屬層。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于所述金屬粘附層厚度為5nm;所述金屬層厚度為45nm。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述納米線薄膜為氧化銦納米線薄膜。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟2)的實現(xiàn)方法為:首先在所述梳齒狀電極陣列相鄰兩個電極單元的邊緣中間部位用金剛刀劃一痕跡；然后利用所述梳齒狀電極陣列所在基片的硅襯底晶格取向施力，使相鄰電極單元分開，得到所述電極單元基片。
7.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述梳齒狀電極陣列的陣列單元間距3mm,梳齒狀電極的線寬/間距為I μ m/9 μ m,線長為500 μ m。
【文檔編號】G01N27/00GK103868951SQ201410062021
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】岳雙林 申請人:北京大學(xué)