專利名稱：一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納制造技術領域，具體涉及一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法。
背景技術：
一維納米結構氣敏傳感器具有獨特的量子效應、形貌特性以及極高的表面積-體積比，其傳感器性能優(yōu)異。其中，納米線氣敏傳感器是一維納米結構氣敏傳感器的典型代表之一。但是，納米線氣敏傳感器的制造問題是制約此類傳感器商業(yè)化的關鍵瓶頸:在此類傳感器的實驗制備過程中，現(xiàn)有的方法通常是把事先合成的納米線組裝到平面電極表面，此時，特定數目納米線的拾取、對準和安放都是制造過程中需要面對的難題。盡管通過原子力探針夾持定位等方法，在顯微視場下可實現(xiàn)單根納米線的定位組裝，但此類方法只能作為器件性能研究時的實驗手段，而不能作為制造工藝加以利用；更進一步，上述傳感器制備過程中操縱的對象是已形成的一維納米結構，而對一些無法形成納米線的氣體敏感材料，顯然無法通過夾持組裝的方式實現(xiàn)，從而在很大程度上限制此類氣體傳感器的探測種類和性倉泛。

發(fā)明內容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，解決了納米線氣敏傳感器中納米線的組裝和安放的問題，達到傳感器制造的批量化、低成本和一致性等制造技術屬性要求。為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術路線為:一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，包括以下步驟:第一步，傳感器圖形化結構制造，在石英或硅的剛性基材表面均勻制備一層納米至微米級別的聚合物材料，該聚合物材料在低能電子束照射下具有延展特性，能夠為表面的金屬薄膜開裂提供變形來源，在聚合物表面制備出具有應力豁口厚度為納米級的金屬薄膜電極，金屬薄膜電極采用Cr/Au材料，在此結構上制備出引線電極，引線電極材料為Ag;第二步，一維納米間隙結構制造，采用掩模板通過低能電子束對聚合物材料進行電子束對準曝光，曝光采用接觸式曝光工藝，電子束加速電壓在10_50kV之間，電流在100-500pA之間，聚合物材料吸收電子后由于庫倫斥力的存在將產生延展變形，隨著低能電子束的持續(xù)照射，金屬薄膜電極在與聚合物材料界面處的結合力的作用下產生延展變形，當延展變形量大于金屬薄膜電極的強度極限時，金屬薄膜電極將在應力集中的豁口位置形成納米級縫隙結構；第三步，納米線結構原位生長，將制成的納米級縫隙結構置于氣體敏感材料納米粒子的懸浮液中，在金屬薄膜電極兩側施加交變電場，交變電場電壓幅值在0.5-10V之間，頻率在IOkHz-1MHz之間，納米粒子在介電泳力的作用下向電極方向移動，從而沿納米間隙的方向聚集并形成納米線；
第四步，納米線兩端連接對電極的傳感器制造，納米線生長成形完成后，納米線和金屬薄膜電極一起構成了納米線傳感器，直接用于有害氣體的探測。對于納米線兩端連接金屬薄膜電極的傳感器結構的制造,在第一步中，納米間隙電極材料采用單一的Cr材料，在納米粒子自組裝完成后，采用硝酸鈰銨去除金屬薄膜電極，然后在電極引線和納米線的兩端之間通過掩膜蒸鍍的方式制備出新的對電極，此時納米線和新對電極一起構成了另一種形式的納米線氣體傳感器。所述的聚合物材料為環(huán)氧樹脂、亞克立材料PMMA或硅膠材料PDMS。所述的氣體敏感材料為鈀Pd、銀Ag或氧化鋅ZnO。本發(fā)明利用聚合物材料在低能電子束照射條件下精確可控的伸展特性，采用低能電子束照射聚合物材料實現(xiàn)一維納米間隙電極的大面積并行制造，并利用一維納米間隙電極結構在局部空間形成的強電場梯度，通過納米粒子在一維納米間隙內的介電泳力約束組裝實現(xiàn)納米線的原位成形。


圖1為本發(fā)明的傳感器圖形結構示意圖。圖2為剛性基底的主視不意圖及相應的俯視不意圖。圖3為涂覆有聚合物材料的主視不意圖及相應的俯視不意圖。圖4為在聚合物材料上涂覆一層光刻膠的主視示意圖及相應的俯視示意圖。圖5為在光刻膠上曝光的主視示意圖及相應的俯視示意圖。圖6為光刻膠顯影后的主視示意圖及相應的俯視示意圖。圖7為在聚合物材料及光刻膠上濺射一層金屬薄膜材料的主視示意圖及相應的俯視不意圖。圖8為采用有機溶劑除去光刻膠后的主視示意圖及相應的俯視示意圖。圖9為本發(fā)明采用低能電子束照射聚合物材料制備納米縫結構的原理示意圖。圖10為本發(fā)明采用的基于一維納米間隙的納米線介電泳組裝的原理示意圖。圖11為本發(fā)明所制造出的納米線側壁連接金屬薄膜電極方式的傳感器結構示意圖。圖12為采用腐蝕劑去除金屬薄膜電極后的結構示意圖。圖13為本發(fā)明所制造出的納米線兩端連接金屬薄膜電極的傳感器結構方式的傳感器結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，包括以下步驟:第一步，傳感器圖形結構制造，參照圖1，在石英或硅的剛性基材I表面均勻制備一層納米至微米級別的聚合物材料2,聚合物材料可選用環(huán)氧樹脂、亞克立材料PMMA或娃膠材料PDMS。該聚合物材料在低能電子束照射下具有延展特性，能夠為表面的金屬薄膜開裂提供變形來源，采用對準光刻、磁控濺射、剝離工藝在聚合物材料表面制備出具有應力豁口的金屬薄膜電極6，金屬薄膜電極6采用Cr/Au材料，厚度為納米級，應力豁口用于在薄膜拉伸過程中產生應力集中，改善金屬薄膜電極6的斷裂特性，在此結構上制備出第一引線電極7、絕緣材料8和第二引線電極9，弓丨線電極材料選擇導電性較好的Ag，其中引線電極交疊處采用材料噴墨打印的方式制備一層厚度為微米級的絕緣材料8，引線電極在傳感器制造過程中用于實現(xiàn)納米粒子介電泳自組裝，在傳感器工作過程中即可作為電信號的引出電極；下面結合4個傳感器電極的圖形結構，詳細描述傳感器圖形結構制造過程:(a)參照圖2，選擇石英或硅等材料作為剛性基材I ;(b)參照圖3，在剛性基材I上均勻涂鋪一層納米至微米級別的聚合物材料2，聚合物材料2在低能電子束照射下具有延展特性，例如，環(huán)氧樹脂、亞克立材料PMMA或硅膠材料PDMS ；(c)光刻膠成型，參照圖4，在聚合物材料2表面旋涂一層納米至微米級別的光刻膠3，光刻膠可選用EPG533，參照圖5，利用掩模板4通過近紫外光5曝光并顯影，顯影后如圖6所示；(d)金屬薄膜材料的制備，參照圖7，選擇金屬Cr/Au作為電極材料，利用濺射的方法在柔性基材及光刻膠表面制備一層厚度為納米級別的金屬薄膜電極6 ；(e)金屬層成形，參照圖8，利用酒精除去殘留的光刻膠3，形成的“剛性基材_聚合物材料-金屬薄膜電極”的三明治結構；(f)通過絲網印刷或材料噴印方式，在金屬薄膜電極6印制列掃描線7，列掃描線7的材料為納米銀Ag漿料，其中的漿料被熱揮發(fā)，且應該與一側的金屬薄膜電極3搭接在一起;(g)通過絲網印刷或材料噴印方式，在列掃描線7上印制絕緣層8 ；(h)以步驟(e)的方式印制行掃描線9，行掃描線9將與另一側的金屬薄膜電極6相連，但與列掃描線7絕緣，最終獲得圖1所示結構；第二步，一維納米間隙結構制造，參照圖9，采用用掩模板10通過低能電子束11對聚合物材料2進行電子束對準曝光，曝光采用接觸式曝光工藝，電子束加速電壓在10-50kV
之間，電流在100-500pA之間，其中掩模板設置的透射區(qū)域與之前制備的電極區(qū)域--對
應，可進行大面積結構的并行曝光，聚合物材料2吸收電子后由于庫倫斥力的存在將產生延展變形，隨著低能電子束的持續(xù)照射，金屬薄膜電極6在與聚合物材料2界面處的結合力的作用下產生延展變形，當延展變形量大于金屬薄膜電極6的強度極限時，金屬薄膜電極6將在應力集中的豁口位置形成納米級縫隙結構，其長度取決于豁口最窄處的寬度，形成位置精確可控；第三步，納米線結構原位生長，參照圖10，將制成的納米級縫隙結構置于氣體敏感材料納米粒子的懸浮液12中,氣體敏感材料可選用鈕Pd、銀Ag或氧化鋅ZnO,在金屬薄膜電極6兩側施加交變電場，交流電壓幅值在0.1-10V之間，頻率在50kHz-lMHz之間，納米粒子的懸浮液12中的納米粒子受到電場作用而被極化，由于納米縫兩側的電場強度梯度較大，從而產生較大的介電泳力，納米粒子在介電泳力的作用下向電極方向移動，從而沿納米間隙的方向聚集并形成納米線13，在適用 于多種氣體探測的集成傳感器制造過程中將上述部分組裝的納米間隙平面電極再次置于另一種氣體敏感材料納米粒子如氧化錫SnO2的納米粒子懸浮液中，重復上述步驟在未組裝的其它電極表面組裝另一材料的納米線結構；
第四步，納米線兩端連接對電極的傳感器制造，參照圖11，納米線生長成形完成后，納米線13和金屬薄膜電極6—起構成了納米線傳感器，可以直接用于有害氣體的探測。除了上述納米線側壁連接金屬薄膜電極的方式外，還存在納米線兩端連接金屬薄膜電極的傳感器結構方式，對于此類傳感器的制造，參照圖12，在第一步的步驟(b)中的金屬薄膜電極6的材料采用單一的Cr材料而非Cr/Au材料，在納米粒子自組裝完成后，采用硝酸鈰銨去除金屬薄膜電極6，然后在引線電極7、9和納米線13的兩端之間通過掩膜蒸鍍的方式制備出新的金屬薄膜電極14，如圖13所示此時納米線和新對電極一起構成了另一種形式的納米線氣體傳感器。
權利要求
1.一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，傳感器圖形化結構制造，在石英或硅的剛性基材表面均勻制備一層納米至微米級別的聚合物材料，該聚合物材料在低能電子束照射下具有延展特性，能夠為表面的金屬薄膜開裂提供變形來源；在聚合物表面制備出具有應力豁口厚度為納米級的金屬薄膜電極，金屬薄膜電極采用Cr/Au材料，在此結構上制備出引線電極，引線電極材料為Ag; 第二步，一維納米間隙結構制造，采用掩模板通過低能電子束對聚合物材料進行電子束對準曝光，曝光采用接觸式曝光工藝，電子束加速電壓在10-50kV之間，電流在100-500pA之間，聚合物材料吸收電子后由于庫倫斥力的存在將產生延展變形，隨著低能電子束的持續(xù)照射，金屬薄膜電極在與聚合物材料界面處的結合力的作用下產生延展變形，當延展變形量大于金屬薄膜電極的強度極限時，金屬薄膜電極將在應力集中的豁口位置形成納米級縫隙結構； 第三步，納米線結構原位生長，將制成的納米級縫隙結構置于氣體敏感材料納米粒子的懸浮液中，在金屬薄膜電極兩側施加交變電場，納米粒子在介電泳力的作用下向電極方向移動，從而沿納米間隙的方向聚集并形成納米線； 第四步，納米線兩端連接對電極的傳感器制造，納米線生長成形完成后，納米線和金屬薄膜電極一起構成了納米線傳感器，直接用于有害氣體的探測。
2.根據權利要求1所述的一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，其特征在于:對于納米線兩端連接金屬薄膜電極的傳感器結構的制造，在第一步中，納米間隙電極材料采用單一的Cr材料，在納米粒子自組裝完成后，采用硝酸鈰銨去除金屬薄膜電極，然后在電極引線和納米線的兩端之間通過掩膜蒸鍍的方式制備出新的對電極，此時納米線和新對電極一起構成了另一種形式的納米線氣體傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，其特征在于:所述的聚合物材料為環(huán)氧樹脂、亞克立材料PMMA或硅膠材料PDMS。
4.根據權利要求1或2所述的一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，其特征在于:所述的氣體敏感材料為鈀Pd、銀Ag或氧化鋅ZnO。
全文摘要
一種用于氣敏傳感器制造的納米線原位成形方法，先進行傳感器圖形化結構制造，在剛性基材表面均勻制備一層聚合物材料，在聚合物表面制備出具有應力豁口的金屬薄膜電極，在此結構上制備出引線電極，然后進行一維納米間隙結構制造，采用掩模板通過低能電子束對聚合物材料進行曝光，金屬薄膜電極將在應力集中的豁口位置形成縫隙結構，然后將制成的縫隙結構置于氣體敏感材料納米粒子的懸浮液中，在金屬薄膜電極兩側施加交變電場，納米粒子形成納米線，最后完成納米線兩端連接對電極的傳感器制造；本發(fā)明解決了納米線氣敏傳感器中納米線的組裝和安放的問題，達到傳感器制造的批量化、低成本和一致性等制造技術屬性要求。
文檔編號G01N27/00GK103091370SQ20131000758
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權日2013年1月9日
發(fā)明者邵金友, 丁玉成, 趙強, 胡兵, 繆林林, 翟海鵬 申請人:西安交通大學