專利名稱：一種全碳微傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于碳納米管和碳MEMS電極的全碳微傳感器及其制備方法。 技術(shù)背景碳納米管(Carbon Nanotube)在納米尺度上由碳原子組成的獨(dú)特管型 結(jié)構(gòu)使它具有高機(jī)械強(qiáng)度、高熱導(dǎo)、高電導(dǎo)等特性。由于碳原子在管型空 間分布的多樣性，使碳納米管呈現(xiàn)出金屬和半導(dǎo)體兩大類，因此在許多領(lǐng) 域例如二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、場(chǎng)發(fā)射器件、能帶工程、集成電路中的金屬互 聯(lián)等具有廣泛的應(yīng)用前景。碳納米管具有超高速的轉(zhuǎn)換速度、卓越的熱特性及與主流CMOS的兼 容性等其他材料所無法實(shí)現(xiàn)的特性，它給傳感器領(lǐng)域也帶來了新的研究機(jī) 遇和發(fā)展空間。用一維碳納米管作為敏感材料，與常規(guī)傳感器相比其龐大 的管狀界面，提供了氣、液相與固體敏感材料接觸和作用的通道，從而大 大提高了靈敏度；同時(shí)可以大大降低傳感器的工作溫度和尺寸。把納米級(jí) 光敏、濕敏、氣敏、壓敏等材料與碳納米管組裝，可以制成納米級(jí)的各種 功能傳感器。因此，它在生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事等方面具有廣泛 的發(fā)展前途?；谔技{米管的傳感器的結(jié)構(gòu)是多樣化的。目前碳納米管的傳感器一 般采用物理氣相淀積的金屬薄膜經(jīng)光刻技術(shù)微加工制備成一定圖形的電 極， 一般為平面電極，橫跨電極間的敏感元件與基底表面的間距受到平面 電極的厚度限制，遠(yuǎn)離基底表面的空間的探測(cè)不能實(shí)現(xiàn)，整個(gè)傳感器的性 能受襯底影響大。電鍍形成的金屬電極能做到較好的高寬比，電極厚度比 物理氣相淀積的金屬薄膜厚，但是這樣的電極的尺寸精度一般難以達(dá)到微納米，而且電鍍廢液的處理成本昂貴，并容易對(duì)環(huán)境造成污染。碳MEMS電極在生物化學(xué)醫(yī)藥環(huán)境檢測(cè)和監(jiān)控中由于有著良好的兼容 性，比金屬電極優(yōu)越。利用MEMS技術(shù)制備的碳MEMS電極具有電極結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)立體三維微結(jié)構(gòu)?；谔糓EMS電極的傳感器性 能受襯底影響小，具有實(shí)現(xiàn)對(duì)微尺度空間任意位置進(jìn)行探測(cè)的潛力?；?碳納米管和碳MEMS的可集成全碳微傳感器在生物化學(xué)醫(yī)藥環(huán)境檢測(cè)和監(jiān) 控特別是微流體測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種全碳微傳感器，該傳感器具有使碳納米管 空間定位靈活、傳感器敏感度可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)；本發(fā)明還提供了制備該傳感 器的方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，并與半導(dǎo)體IC工藝兼容。本發(fā)明提供的全碳微傳感器，其特征在于襯底為表面帶氧化層的硅 片，在襯底上設(shè)置有二個(gè)碳MEMS電極，在二個(gè)碳MEMS電極之間的距離 為1 10pm，碳MEMS電極的厚度為l 100|am;碳納米管架設(shè)于二個(gè)碳 MEMS電極之間，碳納米管的直徑為10 30nm。上述全碳微傳感器的制備方法，其步驟包括第1步對(duì)表面帶氧化層的襯底進(jìn)行清洗；第2步按下述過程在襯底上制備碳MEMS電極 (2. 1)在襯底上旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚度為1 100)im的光刻膠膜； (2. 2)采用紫外曝光工藝將光刻膠膜加工成設(shè)計(jì)的圖形； (2. 3)在N2/H2氣氛下，使光刻膠碳化形成二個(gè)碳MEMS電極，二 個(gè)碳MEMS電極之間的距離為l 10|im;第3步按下述過程將碳納米管連接在二個(gè)碳MEMS電極之間 (3. 1)將直徑為10 30nm碳納米管與無水乙醇溶劑按0.005 0.05mg/ml比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散，形成碳納米管懸浮液； (3. 2)將0.5 1MHz， 5 10V的交流電壓加載到襯底上的二個(gè)碳MEMS電極之間，將碳納米管懸浮液滴到二個(gè)碳MEMS電極之間，當(dāng)溶劑 揮發(fā)完全時(shí)，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時(shí)撤除所加電場(chǎng)； 第4步在N2/H2氣氛下退火，形成全碳微傳感器。本發(fā)明利用碳納米管和碳MEMS電極構(gòu)成全碳微傳感器。以碳納米管 為敏感元件的傳感器功耗低。由于碳MEMS電極可在微納米尺度上提供的 二維和三維的電極圖形可設(shè)計(jì)性，使碳納米管空間定位靈活、傳感器敏感 度可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)平面微電極傳感器受襯底影響大、不 能精確探測(cè)微空間的局限性，并具有良好的高密度集成的潛力，在生物化 學(xué)醫(yī)藥環(huán)境檢測(cè)和監(jiān)控中具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明提供的全碳微傳感器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為全碳微傳感器的俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖1所示，本發(fā)明全碳微傳感器的結(jié)構(gòu)為采用表面生長(zhǎng)有氧化層的硅片作為襯底1。在襯底1上設(shè)置有二個(gè)碳MEMS電極21、22，碳MEMS 電極21、 22之間的距離為1 101im,碳MEMS電極21、 22的厚度為1(im 100nm;碳納米管3架設(shè)于碳MEMS電極21、 22之間，碳納米管3的直徑 為10 30nm，通過退火形成全碳微傳感器。下面舉例加以說明 實(shí)施例1:(1) 將襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2) 將碳MEMS電極制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用光刻膠AZ5214，經(jīng)旋轉(zhuǎn)涂覆(速度4000rpm)，形成厚 度為 lpm的光刻膠膜；(2. 2)采用紫外曝光工藝包括前烘、曝光、顯影和后烘，將光刻膠膜加工成所設(shè)計(jì)的圖形；(2. 3)在1000。C， N2/H2 (85%N2+15%H2)氣氛下處理1小時(shí)，使 光刻膠碳化形成碳MEMS電極2K 22，碳MEMS電極21、 22之間的距離 為lpm;將碳納米管連接在碳MEMS電極之間，其過程為(3.1)將直徑為10 30nm碳納米管3與無水乙醇溶劑按0.005mg/ml 比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(3. 2)將0.5MHz， 5V的交流電壓加載到襯底1上的碳MEMS電極 21、 22間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全 時(shí)，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時(shí)撤除所加電場(chǎng)；(4)在N2/H2 (85°/。N2+15%H2)氣氛下，350。C退火處理，使碳納米 管與碳MEMS電極獲得良好的接觸形成全碳微傳感器。實(shí)施例2:(1) 將襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2) 將碳MEMS電極制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用光刻膠SU8，經(jīng)旋轉(zhuǎn)涂覆(速度5000rpm)，形成厚度為 20pm的光刻膠膜；(2. 2)采用紫外曝光工藝包括前烘、曝光、顯影和后烘，將光刻膠 膜加工成所設(shè)計(jì)的圖形；(2. 3)在IOOO'C， N2/H2 (90%N2+10%H2)氣氛下1小時(shí)，使光刻 膠碳化形成碳MEMS電極21、22，碳MEMS電極21、22之間的距離為5|Lim; 將碳納米管連接在碳MEMS電極之間，其過程為(3. 1)將直徑為10 30nm碳納米管3與無水乙醇溶劑按0.01mg/ml 比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(3. 2)將0.5MHz, 8V的交流電壓加載到襯底1上的碳MEMS電極 21、 22間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全 時(shí)，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時(shí)撤除所加電場(chǎng)；(4)在450°C, N2/H2 (90%N2+10%H2)氣氛下，退火處理，使碳納 米管與碳MEMS電極獲得良好的接觸形成全碳微傳感器。實(shí)施例3:(1) 將襯底1按標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行表面處理和清洗；(2) 將碳MEMS電極制備在襯底1上，其過程為(2. 1)采用光刻膠SU8，經(jīng)旋轉(zhuǎn)涂覆(速度1000rpm)，形成厚度為 lOO)im的光刻膠膜；(2. 2)采用紫外曝光工藝包括前烘、曝光、顯影和后烘，將光刻膠 膜加工成所設(shè)計(jì)的圖形；(2. 3)在100(TC， N2/H2 (95%N2+5%H2),的氣氛下熱處理，使光刻 膠碳化形成碳MEMS電極21、22，碳MEMS電極21、22之間的距離為lOpm; 將碳納米管連接在碳MEMS電極之間，其過程為(3.1)將直徑為10 30nm碳納米管3與無水乙醇溶劑按0.05mg/ml 比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散；(3. 2)將lMHz, 10V的交流電壓加載到襯底1上的碳MEMS電極 21、 22間，用微型注射器將碳納米管懸浮液滴到電極間，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全 時(shí)，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時(shí)撤除所加電場(chǎng)；(4)在N2氾2 (95%N2+5°/。H2)氣氛下，50(TC退火處理，使碳納米管 與碳MEMS電極獲得良好的接觸形成全碳微傳感器。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施 例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等 效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種全碳微傳感器，其特征在于襯底(1)為表面帶氧化層的硅片，在襯底(1)上設(shè)置有二個(gè)碳MEMS電極(21、22)，在二個(gè)碳MEMS電極(21、22)之間的距離為1～10μm，碳MEMS電極(21、22)的厚度為1～100μm；碳納米管(3)架設(shè)于二個(gè)碳MEMS電極(21、22)之間，碳納米管(3)的直徑為10～30nm。
2、 一種制備權(quán)利要求1所述全碳微傳感器的方法，其步驟包括 第1步對(duì)表面帶氧化層的襯底進(jìn)行清洗； 第2步按下述過程在襯底上制備碳MEMS電極 (2. 1)在襯底上旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚度為1 100)nm的光刻膠膜； (2. 2)采用紫外曝光工藝將光刻膠膜加工成設(shè)計(jì)的圖形； (2. 3)在N乂H2氣氛下，使光刻膠碳化形成二個(gè)碳MEMS電極，二 個(gè)碳MEMS電極之間的距離為l 10|um;第3步按下述過程將碳納米管連接在二個(gè)碳MEMS電極之間 (3. 1)將直徑為10 30nm碳納米管與無水乙醇溶劑按0.005 0.05mg/ml比例混合，經(jīng)超聲使碳納米管均勻分散，形成碳納米管懸浮液； (3. 2)將0.5 1MHz， 5 10V的交流電壓加載到襯底上的二個(gè)碳 MEMS電極之間，將碳納米管懸浮液滴到二個(gè)碳MEMS電極之間，當(dāng)溶劑 揮發(fā)完全時(shí)，碳納米管將電極連通并定位在電極間，此時(shí)撤除所加電場(chǎng)； 第4步在N2/H2氣氛下退火，形成全碳微傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微傳感器及其制備方法。該微傳感器的結(jié)構(gòu)為襯底為表面帶氧化層的硅片，在襯底上設(shè)置有二個(gè)碳MEMS電極，在二個(gè)碳MEMS電極之間的距離為1～10μm，碳MEMS電極的厚度為1～100μm；碳納米管架設(shè)于二個(gè)碳MEMS電極之間，碳納米管的直徑為10～30nm。其制備方法是在襯底上利用光刻膠經(jīng)熱處理碳化制作碳MEMS電極，在碳MEMS電極利用介電電泳和退火處理將碳納米管定位在碳MEMS電極之間。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)電極的傳感器受襯底影響大、不能探測(cè)空間位置的缺點(diǎn)，并具有良好的高密度集成的潛力，在生物化學(xué)醫(yī)藥環(huán)境檢測(cè)和監(jiān)控特別是微流體測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N27/26GK101403722SQ200810197518
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者周文利, 孫偉鈞, 李宇鵬 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)