一种纳米电极阵列及其制备方法

摘要

本发明提供了一种纳米电极阵列，该纳米电极阵列包括其上均匀垂直设置等高硅尖阵列2的硅片衬底1，设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。该本发明中的纳米电极阵列，体积小、密度大、尖端曲率半径小，可用于电离型气体传感器低成本、大批量制备。

权利要求

1.一种纳米电极阵列，包括其上均匀垂直设置等高硅尖阵列(2)的硅片衬底(1)，其特征在于，设置硅尖阵列(2)一侧的所述硅片衬底(1)的表面和所述硅尖阵列(2)表面包覆金属薄膜层(3)，位于所述硅尖阵列(2)峰顶的金属薄膜层(3)设有纳米颗粒(4)；所述的一种纳米电极阵列的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)于清洗后的硅片衬底(1)表面热氧化形成二氧化硅膜，光刻形成形状与硅尖阵列(2)镜像对称的二氧化硅掩膜，用HF缓冲液去除硅湿法腐蚀制备微米级硅尖阵列的二氧化硅；

(2)用薄膜沉积法在硅片衬底(1)和硅尖阵列(2)表面沉积金属薄膜层(3)；

(3)用静电喷雾法在硅尖阵列(2)顶端金属薄膜层(3)表面敷设纳米颗粒(4)形成纳米尖端；

(4)大气或氮气氛中100℃-600℃下高温烧结30min～2h。

2.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述硅片衬底(1)剖面为凹槽形，所述硅尖阵列(2)竖直设于所述凹槽的凹陷部，其高度与所述凹槽两凸块的高度相等，所述硅片衬底(1)厚度为100μm～1000μm，所述硅片衬底(1)为方形或圆形。

3.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述硅尖阵列(2)为均匀分布的圆台阵列，所述圆台下底面间距为1μm～100μm；所述圆台上下直径分别为0.5μm～1μm和5μm～100μm，高度为5μm～800μm。

4.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述金属薄膜层(3)厚度为

10nm～300nm，所述金属薄膜层(3)选用Au、Pt、Cr或W，金属薄膜层(3)为单层。

5.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述纳米颗粒(4)为金属纳米颗粒和/或金属氧化物纳米颗粒，所述纳米颗粒(4)为直径为1nm-100nm的球形颗粒。

6.如权利要求5所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述金属纳米颗粒为Au、Pt、Cr、或W纳米颗粒；所述金属氧化物纳米颗粒为ZnO、SnO2或WO3纳米颗粒。

7.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述步骤(1)的硅湿法腐蚀的腐蚀溶液为KOH溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。

8.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述步骤(2)的薄膜沉积方法包括溅射或热蒸发。

9.如权利要求1所述的一种纳米电极阵列，其特征在于：所述步骤(4)高温烧结于湿法刻蚀设备中进行，所述湿法刻蚀设备为马弗炉或程控管式炉。

说明书

一种纳米电极阵列及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电极阵列及其制备方法，具体讲涉及一种纳米电极阵列及其制备方法。

背景技术

[0002] 气体传感器是将气体的成份、浓度等信息转化成对应的电信号再转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等识别的装置。

[0003] 气体传感器种类繁多，如电离型气体传感器、化学吸附式气体传感器和红外线气体传感器。基于气体电离原理的电离型气体传感器，包括连接在高压的单个或者多个曲率半径很小的针状尖端电极和连接地的大曲率半径电极(如平板电极)，通过测量击穿电压及放电时电流－电压关系，得到周围环境中气体种类及浓度信息。电离型气体传感器可以在室温下工作，与化学吸附式气体传感器相比，具有可指纹性识别不同种类气体、不易吸附待测气体、响应和恢复时间短等优点。

[0004] 电离型气体传感器中针状尖端电极曲率半径对放电特性具有决定性影响，针状尖端电极曲率半径越小，越容易实现放电，放电电压越低，传感器的测量灵敏度越高。针状尖端电极一般采用化学气相沉积法制备的多壁碳纳米管或阳极氧化铝模板法制备的金属氧化物及金属纳米纤维。

[0005] 采用MEMS技术可以获得曲率半径为纳米级的尖端电极。有效降低放电电压，简化传感器高压电路并有助于提高稳定性。

发明内容

[0006] 为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种纳米电极阵列，该纳米电极阵列放电起晕电压为500-700V，远远小于其他纳米电极阵列的放电起晕电压1000V以上。

[0007] 为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

[0008] 一种纳米电极阵列，包括其上均匀垂直设置等高硅尖阵列2的硅片衬底1，设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。

[0009] 进一步的，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，厚度为100μm-1000μm，硅片衬底1为方形或圆形。

[0010] 进一步的，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为1μm-100μm；圆台上下直径分别为0.5μm-1μm和5μm-100μm，高度为5μm-800μm。

[0011] 进一步的，金属薄膜层3厚度为10nm-300nm，金属薄膜层3选用Au、Pt、Cr或W，金属薄膜层3为单层。

[0012] 进一步的，纳米颗粒4为金属纳米颗粒和/或金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒4为直径为1nm-100nm的球形颗粒。

[0013] 进一步的，金属纳米颗粒为Au、Pt、Cr、或W纳米颗粒；金属氧化物纳米颗粒为ZnO、SnO2或WO3纳米颗粒。

[0014] 本发明的另一目的在于提供了一种纳米电极阵列的制备方法，包括如下步骤：

[0015] (1)于清洗后的硅片衬底1表面热氧化形成二氧化硅膜，光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，用HF缓冲液去除硅湿法腐蚀制备微米级硅尖阵列的二氧化硅；

[0016] 进一步的，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片；

[0017] 进一步的，热氧化制备二氧化硅。

[0018] 进一步的，热氧化为湿氧氧化，反应温度为600-1000℃,形成二氧化硅膜的厚度为10nm-200nm；

[0019] 利用硅各向异性腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2；

[0020] 影响刻蚀形状的因素主要有刻蚀液、刻蚀温度、刻蚀添加物、掩膜补偿和自停止技术等。

[0021] 具有一定密度和稳定的表面活性剂分子薄膜能够针对外部环境侵蚀和老化提供灵活有效的保护方式。表面活性剂的加入为使各向异性湿法刻蚀后获得光滑的刻蚀表面。表面活性剂分子具有吸附性，该种刻蚀技术能控制刻蚀结构形貌的变化。

[0022] 表面活性剂选用TritonX-100或NC-200。

[0023] (2)用薄膜沉积法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3；

[0024] (3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；

[0025] (4)大气或氮气氛中100℃～600℃下高温烧结30min～2h,提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。

[0026] 进一步的，步骤(1)的硅湿法腐蚀的腐蚀溶液为KOH溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；

[0027] KOH表现出较强的各向异性，针对所有晶面具有约100的较大的刻蚀速率比，对刻蚀结构形状的良好控制性。KOH溶液毒性小，使用后的废弃液体容易处理。SiO2掩膜在长时间刻蚀中会被大量或完全去掉。通常Si与SiO2掩膜的刻蚀选择比约为150。

[0028] 进一步的，步骤(2)的薄膜沉积方法包括溅射或热蒸发，沉积时间为10min～2h；磁控溅射工艺参数：溅射功率20W，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为10-30min。

[0029] 进一步的，步骤(4)高温烧结于湿法刻蚀设备中进行，湿法刻蚀设备为马弗炉或程控管式炉。

[0030] 与最接近的现有技术比，本发明的有益效果包括：

[0031] 1.本发明中的纳米电极阵列，体积小、密度大、尖端曲率半径小，可用于电离型气体传感器低成本、大批量制备。

[0032] 2.本发明中的纳米电极阵列，增大了放电区域，提高检测的线性范围和灵敏度，减小每个尖端电极的放电电流，延缓电极老化过程，延长传感器寿命。

[0033] 3.本发明中的纳米电极阵列制备的气体传感器具有高灵敏度、高选择性，能够实现快速、便携、低成本现场检测。

[0034] 4.本发明中的纳米电极阵列放电起晕电压为500-700V，远远小于其他纳米电极阵列的放电起晕电压1000V以上。

附图说明

[0035] 图1是本发明的电极阵列结构图；

[0036] 其中(1)硅衬底,(2)硅尖阵列,(3)金属薄膜层,(4)纳米颗粒。

具体实施方式

[0037] 下面结合实例对本发明进行详细的说明。

[0038] 实施例1：

[0039] 按如下步骤制备纳米电极阵列：

[0040] (1)于清洗后的厚度为100μm的方形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为600℃，形成二氧化硅膜的厚度为10nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为KOH溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；

[0041] 表面活性剂选用TritonX-100。

[0042] 形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为1μm；圆台上下直径分别为0.5μm和5μm，高度为5μm。

[0043] (2)用溅射法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3，磁控溅射工艺参数：溅射功率20W/cm2，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为10min。

[0044] 设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为10nm，金属薄膜层3选用Au，金属薄膜层3为单层。

[0045] (3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；

[0046] 位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。

[0047] 纳米颗粒4为直径为1nm的球形Au颗粒。

[0048] (4)于马弗炉中大气氛围中600℃下高温烧结30min，提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。

[0049] 制备的纳米电极阵列放电起晕电压为600V。

[0050] 实施例2：

[0051] 按如下步骤制备纳米电极阵列：

[0052] (1)于清洗后的厚度为1000μm的圆形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为1000℃，形成二氧化硅膜的厚度为200nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；

[0053] 表面活性剂选用NC-200。

[0054] 形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为100μm；圆台上下直径分别为1μm和100μm，高度为800μm。

[0055] (2)用热蒸发在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3。

[0056] 设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为300nm，金属薄膜层3选用Pt，金属薄膜层3为单层。

[0057] (3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；

[0058] 位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。

[0059] 纳米颗粒4为直径为100nm的球形Pt颗粒。

[0060] (4)于程控管式炉中氮气氛中100℃下高温烧结2h,提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。

[0061] 制备的纳米电极阵列放电起晕电压为700V。

[0062] 实施例3：

[0063] 按如下步骤制备纳米电极阵列：

[0064] (1)于清洗后的厚度为500μm的方形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为800℃，形成二氧化硅膜的厚度为100nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为KOH溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；

[0065] 表面活性剂选用TritonX-100。

[0066] 形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为50μm；圆台上下直径分别为0.5μm和50μm，高度为400μm。

[0067] (2)用溅射法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3，磁控溅射工艺参数：溅射功率20W/cm2，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为20min。

[0068] 设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为100nm，金属薄膜层3选用Cr，金属薄膜层3为单层。

[0069] (3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；

[0070] 位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。

[0071] 纳米颗粒4为直径为50nm的球形Cr颗粒。

[0072] (4)于马弗炉中大气氛围中400℃下高温烧结1h,提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。

[0073] 制备的纳米电极阵列放电起晕电压为550V。

[0074] 实施例4：

[0075] 按如下步骤制备纳米电极阵列：

[0076] (1)于清洗后的厚度为100μm的方形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为600℃，形成二氧化硅膜的厚度为10nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为KOH溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；

[0077] 表面活性剂选用TritonX-100。

[0078] 形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为10μm；圆台上下直径分别为0.5μm和50μm，高度为15μm。

[0079] (2)用溅射法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3，磁控溅射工艺参2
数：溅射功率20W/cm，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为10min。

[0080] 设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为10nm，金属薄膜层3选用Au，金属薄膜层3为单层。

[0081] (3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；

[0082] 位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。

[0083] 纳米颗粒4为直径为1nm的球形Au颗粒。

[0084] (4)于马弗炉中氮气氛中600℃下高温烧结30min，提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。

[0085] 制备的纳米电极阵列放电起晕电压为500V。

[0086] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。