基于二硒化钨的柔性离子传感器的制作方法

本实用新型涉及MEMS技术领域，特别涉及基于二硒化钨的柔性离子传感器。

背景技术：

二维材料二硒化钨具有极大的比表面积、极低的噪声、禁带宽度不为0，这些特性决定了基于二硒化钨的传感器具有极高的灵敏度和极低的检测下限；二硒化钨可通过化学气相沉积法大面积制备，易于加工，具有集成化的潜力；二硒化钨具有较高的断裂应变，具有优良的抗弯折能力，可穿戴柔性器件往往需要产生较大形变，因此二硒化钨是作为柔性传感器敏感材料的理想选择。目前尚未见二硒化钨离子传感器的相关报道。

二硒化钨作为敏感材料存在的主要问题：1、二硒化钨上表面长期暴露在空气中，氧气、水蒸汽等会使其电学特性逐渐退化，使器件性能产生明显漂移，影响长期稳定性。2、二硒化钨的选择性差，对任何离子都会产生响应，在成分复杂的实际液体中无法分辨被测离子。因此解决二硒化钨柔性离子传感器的长期稳定性与选择性的问题是重点。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供基于二硒化钨的柔性离子传感器，采用二硒化钨作为敏感材料，可使传感器具有极高的灵敏度和极低的检测下限，并具有优良的抗弯折能力；氮化硼作为保护层，可提升传感器的长期稳定性；离子载体作为选择层，解决传感器选择性的问题。

为了达到上述目的，本实用新型是通过下述方法实现的：

基于二硒化钨的柔性离子传感器，其特征在于，所述传感器从上到下依次为离子载体1-1、氮化硼层1-2、金属电极1-3、二硒化钨层1-4和柔性基底1-5，所述二硒化钨层1-4两端与金属电极1-3相连接。

所述离子载体1-1的厚度为20-200微米。

所述氮化硼层1-2为单层或多层，一般为1-10层。

所述金属电极1-3材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种，厚度为20-200纳米。

所述二硒化钨层1-4为单层或多层，一般为1-10层。

所述二硒化钨层1-4的上表面被氮化硼层1-2完全覆盖，离子载体1-1以及氮化硼层1-2表面积均大于等于二硒化钨层1-4；所述离子载体1-1表面积小于等于氮化硼层1-2表面积1-2。

本实用新型的有益效果是：

(1)灵敏度高

离子传感器的灵敏度取决于敏感材料的比表面积与能带结构。二硒化钨具有极大的比表面积，并且禁带宽度不为0，因此本实用新型基于二硒化钨的离子传感器具有极高的灵敏度。

(2)抗弯折能力强

可穿戴柔性传感器需要经常产生较大形变。作为传感器敏感材料的二硒化钨机械性能优良，具有较高的断裂应变(不易断裂)，因此本实用新型的传感器的抗弯折能力强。

(3)选择性好

在二硒化钨传感器表面覆盖离子载体，能够排除溶液中其它离子的干扰，使传感器具有分辨被测离子的能力(具有优良的选择性)。

(4)长期稳定性好

离子传感器的长期稳定性取决于敏感材料二硒化钨在空气中的稳定性。在二硒化钨表面覆盖氮化硼层，可避免空气中氧气、水蒸汽等使其电学特性逐渐退化，提升传感器的长期稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的基于二硒化钨的柔性离子传感器的侧视图，图中，1-1—离子载体，1-2—氮化硼层，1-3—金属电极，1-4—二硒化钨层，1-5—柔性基底。

图2为本实用新型的基于二硒化钨的柔性离子传感器的俯视图，图中，1-1—离子载体，1-3—金属电极，1-4—二硒化钨层，1-5—柔性基底。

图3为本实用新型的二硒化钨柔性离子传感器加工流程图。

图4为二硒化钨离子传感器对不同浓度钠离子的响应结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型的技术方案做进一步说明。

参照图1，图2，基于二硒化钨的柔性离子传感器，其特征在于，所述传感器从上到下依次为离子载体1-1、氮化硼层1-2、金属电极1-3、二硒化钨层1-4、柔性基底1-5，所述二硒化钨层1-4两端与金属电极1-3相连接。

所述离子载体1-1的厚度为20-200微米。

所述氮化硼层1-2为单层或多层，一般为1-10层，氮化硼材料的厚度减小到10层或以下时，成为二维材料，其材料性能完全不同于块体氮化硼材料。所述金属电极1-3材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种，厚度为20-200纳米。

所述二硒化钨层1-4为单层或多层，一般为1-10层，二硒化物材料的厚度减小到10层或以下时，成为二维材料，其材料性能完全不同于块体二硒化物材料。

所述二硒化钨层1-4的上表面被氮化硼层1-2完全覆盖，离子载体1-1以及氮化硼层1-2表面积均大于等于二硒化钨层1-4；所述离子载体1-1表面积小于等于氮化硼层1-2表面积1-2。

本实用新型二硒化钨传感器阵列具体加工流程如下(图3)：

(一)二硒化钨制备与图形化

采用化学气相沉积法制备二硒化钨1-4。通过PDMS(聚二甲基硅氧烷)将其转移至柔性聚合物PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底1-5表面。采用光刻与等离子体干法刻蚀技术实现二硒化钨图形化。

(二)传感器加工

在柔性聚合物PET基底表面旋涂一层负性光刻胶(匀胶机转速1000-4000RPM，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)，后烘(90-120℃，2-3分钟)，与显影(RD6显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用溅射工艺生长10纳米钛、50-100纳米厚度的金。将样品浸泡在丙酮中，并辅助以超声振荡，目的在于去除光刻胶以及光刻胶表面附着的金属(剥离工艺)。通过剥离工艺实现金属层图形化，形成金属电极1-3。PDMS将化学气相沉积法制备的氮化硼1-2转移至柔性聚合物PET基底表面。

(三)修饰离子载体

通过旋涂法在二硒化钨表面修饰一层离子载体溶液。5-10分钟之后，待溶剂挥发后形成固态离子载体层1-1。一种离子载体只能透过一种离子(例如钠离子载体只能透过Na⁺)。

二硒化钨传感器标定与测试

首先使用不同浓度的标准离子溶液分别浸没二硒化钨传感器，待1-5分钟传感器稳定之后使用万用表或半导体参数测试仪测量得到两个金属电极之间二硒化钨的电阻值，通过标定过程可以明确传感器随离子浓度的变化规律。之后使用被测溶液浸没传感器部分，待传感器稳定之后测量其电阻值，并与标定结果对比，进而可以获得被测溶液中待测离子浓度值。图4为二硒化钨离子传感器对不同浓度钠离子的响应结果图，表明二硒化钨离子传感器的可行性。

本实用新型的工作原理：

本实用新型的二硒化物传感器具有类似MOS管的结构。二硒化物(1-4)两端的金属电极(1-3)对应MOS管的源极和漏极，离子载体(1-1)等效于MOS管的栅极。被测离子进入离子载体(1-1)后，使(1-1)电势产生变化，等效于栅极电压变化，从而导致二硒化物的导电特性(电阻率)改变。栅极电压变化量与溶液中被测离子浓度有关。因此通过测量二硒化物电学特性(电阻率)的变化量可以获得被测离子浓度的信息。