专利名称：一种基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微电子技术领域的微放 电器件，具体地说，涉及的是一种基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法。
背景技术：
在人们的日常生活中，气体放电的应用十分广泛，比如臭氧发生器以及介质阻挡放电光源等等。但是在常温大气压下，气体需要几千甚至上万伏的电压才能形成稳定的放电。由浙江大学的惠国华等设计的基于定向碳纳米管气体放电结构，能将大气压下气体暗放电的工作电压降低至500V以下，使得利用气体击穿电压和放电电流的测量对气体定性定量检测的可行性和实用性大大提高。而西安交通大学的刘君华等设计的自持暗放电碳纳米管薄膜气体传感器能进一步将气体自持暗放电的工作电压降至200V以下。经对现有技术的文献检索发现，中国专利“基于微电子加工技术的电离气体传感器微阵列结构”(专利号=ZL 200510112218. 7，公开号CN1808111A)，该专利自述为“包括，衬底、微电极阵列、微电极条单元、传感器单元，其特征在于，所述微电极阵列设置在衬底上， 微电极阵列包括多个微电极条单元，每对相邻阴阳电极条构成侧壁电极对，作为产生可控电场的结构，从而构成一个传感器单元，多个传感器单元组成微电极阵列，依据各个传感器单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距是否相同，传感器单元分为等同单元和相异单元，等同单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状与间距完全相同，相异单元是指两个单元内的相邻阴阳电极条的平面几何形状或者间距不同。”该技术应用微加工技术得到微小电极间距，结合一维纳米材料在尺度效应下的电场收敛作用，大大地降低了器件的工作电压。但是对于上述通过电离在微结构电场中的气体分子，并由此产生的气体放电，都有可能因为放电电流得不到抑制而自由增长进而损坏器件，从而降低其使用寿命和工作可靠性。吴嘉浩等人提出了一种基于微机械技术制备的碳纳米管介质阻挡气体传感器 ("A MEMS-based ionization gas sensor using carbon nanotubes and dielectric barrier", Proceedings of the 3rd IEEE Int. Conf. on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 824 — 827页)，该传感器的构成是在玻璃等绝缘基底上设置一对或多对间距为微米尺度的平行三维微电极，利用电极间相对的侧壁作为放电区域，并通过电泳方法在电极表面沉积碳纳米管进一步降低离化阈值电压。为了抑制过大的离化电流对器件产生的破坏，在沉积有碳纳米管的微电极的表面覆盖电介质层，构成碳纳米管介质阻挡放电结构。其研究结果表明，该技术可以有效的限制放电电流的自由增长，提高器件的工作寿命。但是，在所述器件的制备中，介质层是在电极上电泳碳纳米管后采用溅射方法沉积的， 由于电极间距为微米尺度，在电极表面沉积碳纳米管以及其后的介质覆盖过程中，碳管很容易残留在电极之间，造成电极间短路，无法正常工作。此外，该方法不适用于制备由有机介质构成的介质阻挡放电结构。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，得到在电极表面交替排布有介质和碳纳米管的介质阻挡微放电结构，能够有效地改善碳纳米管DBD微放电器件的性能，提高器件的合格率和工作稳定性。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用高温聚合物作为介质材料，通过旋涂和光刻方法，形成并图形化介质薄膜，仅在电极对中的一个电极表面覆盖介质，最后在无介质覆盖的电极上电泳沉积碳纳米管。胶体旋涂方法具有较好的覆盖性，有利于在三维电极的侧壁上形成连续、致密的介质膜，不仅增强了介质对离化的限制作用，而且由于碳纳米管是在介质形成后沉积，可以有效的避免残留在电极间隙中的碳纳米管造成直接短路的问题。本发明所述一种基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，具体包括如下步骤
步骤1.在衬底上制备三维微放电电极；
采用表面高绝缘材料作为衬底，包括玻璃、高阻硅和其他绝缘材料。采用常用的光刻、薄膜沉积、光刻胶剥离方法制备微放电电极的电镀种子层。采用掩膜电镀的方法，在上述种子层上电镀三维微放电电极，电镀材料为镍、金、 铜等金属。步骤2.在微放电电极表面涂敷聚合物介质薄膜；
采用聚合物溶胶，通过旋涂的方法，在上述微放电电极上覆盖聚合物介质薄膜。
步骤3.形成介质和电极交替结构；
利用光刻胶作为掩膜层，通过光刻、显影方法，对介质薄膜图形化，图形化后仅在微放电电极对中的一个电极表面覆盖有介质薄膜。步骤4.在未覆盖介质的微电极上沉积一维纳米材料。采用电泳方法在未覆盖介质的电极上沉积碳纳米管。以上所述微放电电极，为一对或多对平行微电极组成的阴极-阳极电极对，由导电性能良好的材料制得。所述三维微放电电极对的尺寸为宽度20um，长度2000um，间距10_20um，高度 5-15um。所述聚合物介质薄膜，其材料为有机介质材料，优选为聚酰亚胺，介质薄膜的厚度为 4-6um。所述介质和电极交替结构，为阴阳电极对中，仅有一个电极上覆盖介质，另一个为金属电极。所述一维纳米材料，为碳纳米管、碳化硅纳米线、硅纳米线、氧化锌纳米线中的一种。所述电泳方法的参数为电泳溶液中的碳纳米管重量百分比浓度为0. 1%，溶剂为丙酮，荷电辅助盐为硝酸镁，重量百分比浓度为0. 1%，电极阴极为样品，阳极为不锈钢薄板。电泳沉积时施加电场强度5-15V/cm，时间为2-4分钟。本发明的有益效果在于
1.采用旋涂方法制备的介质薄膜改进了介质在侧壁上的覆盖效果，提高了介质对离化的限制作用。
2.通过在微放电电极对上形成交替的介质和电极结构，避免了电极间的碳纳米管的短路故障，提高了器件的工作寿命。由于碳纳米管沉积在制备流程最后进行，消除了后续工艺对碳管性能和定位的影响，提高了器件制备的合格率。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1
本实施例是在以下实施条件和技术要求下实施的 1.制备三维金属微放电电极；
采用绝缘的高阻玻璃作为衬底，首先采用光刻工艺在衬底表面形成微放电电极的光刻胶图形，然后在其上溅射沉积金属种子层，用剥离工艺去除光刻胶后得到种子层电极结构。 选用的种子层材料为Cu/Ti，Cu厚度0. 12um, Ti厚度为0. 03um,电极宽度为20um，长度为 2000um,电极间距为lOum。然后，在制备有种子层的样品上，采用光刻工艺，形成光刻胶掩膜电镀图形，光刻胶高度为lOum。将上述样品放入瓦特镍电镀液中，将其作为阴极，镍板作为阳极，施加电镀电流密度为0. 2A/dm2，时间为30分钟，得到高度为5um的镍放电电极。沉积介质薄膜；
在1步骤得到的Ni电极上，旋涂聚酰亚胺涂层胶，甩胶转速3500转/min，时间45s，甩胶后将片子放在热板上，从130°C逐步升温至170°C，热固化聚酰亚胺膜。形成介质和电极交替结构；
在步骤2得到的聚酰亚胺膜上，采用光刻工艺，通过曝光、显影、去胶，形成聚酰亚胺图形，使得电极对中仅有一个电极覆盖聚酰亚胺。然后，再将图形化后的聚酰亚胺进一步作亚胺化处理，具体参数为300°C，1小时，亚胺化后聚酰亚胺的膜厚约为6um。沉积一维纳米材料
将经过步骤3后的片子，采用电泳方法在未覆盖介质的电极上沉积一定密度的碳纳米管。电泳沉积的参数为电泳溶液中的碳纳米管重量百分比浓度为0. 1%，溶剂为丙酮，硝酸镁用于荷电辅助盐，重量百分比浓度为0. 1%，阴极为沉积样品，阳极为不锈钢薄板。电泳沉积时施加电场强度15V/cm，时间为2分钟。本实施例制备得到的微放电电极电极间距为10微米，覆盖介质的电极表面分布有一层均勻的介质膜，覆盖区域定位准确，边界清晰、整齐，在另一电极表面碳纳米管均勻分布，对器件的电离性能进行了测试，得到的离化阈值电压为3V，离化电流在5V时明显开始下降，表明器件不但在较低的电压下发生离化，并且介质层对离化电流的增长具有良好的抑制作用。
实施例2
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的 1.制备三维金属微放电电极；
采用绝缘的高阻玻璃作为衬底，首先采用光刻工艺在衬底表面形成放电电极的光刻胶图形，然后在其上溅射沉积金属种子层，用剥离工艺去除光刻胶，得到种子层电极结构。选用的种子层材料为Cu/Ti，Cu厚度0. 12um, Ti厚度为0. 03um,电极宽度为20um，长度为 2000um,电极间距为15um。然后，在制备有种子层的样品上，采用光刻工艺，形成光刻胶掩膜电镀图形，光刻胶高度为15um。将上述样品放入瓦特镍电镀液中，将其作为阴 极，镍板作为阳极，施加电镀电流密度为0. 2A/dm2’时间为60分钟，得到沉积厚度为IOum的镍放电电极。沉积介质薄膜；
在1步骤得到的Ni电极上，旋涂聚酰亚胺涂层胶，甩胶转速4000转/min，时间45s，甩胶后将片子放在热板上，从130°C逐步升温至170°C，热固化聚酰亚胺膜。形成介质和电极交替结构；
在步骤2得到的聚酰亚胺膜上，采用光刻工艺，通过曝光、显影、去胶，形成聚酰亚胺图形，使得电极对中仅有一个电极表面覆盖聚酰亚胺。然后再将图形化后的聚酰亚胺进一步作亚胺化处理，具体参数为300°C，1小时，亚胺化后聚酰亚胺的膜厚为5um。沉积一维纳米材料
将经过步骤3后的片子，采用电泳方法在未覆盖介质的电极上沉积一定密度的碳纳米管。电泳沉积的参数为电泳溶液中的碳纳米管重量百分比浓度为0.1%，溶剂为丙酮，硝酸镁用于荷电辅助盐，重量百分比浓度为0. 1%，阴极为沉积样品，阳极为不锈钢薄板。电泳沉积时施加电场强度lOV/cm，时间为3分钟。本实施例制备得到的微放电电极间距为15微米，覆盖介质的电极表面介质膜均勻，覆盖区域定位准确，边界清晰、整齐，在另一电极表面和侧壁上分布有碳纳米管，对器件的电离性能进行了测试，得到的离化阈值电压为6V，离化电流在IOV明显开始下降，表明器件不但在较低的电压下发生离化，并且介质对离化电流的增长具有良好的抑制作用。实施例3
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的 1.制备三维金属微放电电极；
采用绝缘的高阻玻璃作为衬底，首先采用光刻工艺在衬底表面形成放电电极的光刻胶图形，然后在其上溅射沉积金属种子层，用剥离工艺去除光刻胶，得到种子层电极结构。选用的种子层材料为Cu/Ti，Cu厚度0. 12um, Ti厚度为0. 03um,电极宽度为20um，长度为 2000um,电极间距为20um。然后，在沉积有种子层的样品上，采用光刻工艺，形成光刻胶掩膜电镀图形，光刻胶高度为20um。将上述样品放入瓦特镍电镀液中，将其作为阴极，镍板作为阳极，施加电镀电流密度为0. 2A/dm2，时间为90分钟，得到高度为15um的镍放电电极。沉积介质薄膜；
在1步骤得到的Ni电极上，旋涂聚酰亚胺涂层胶，甩胶转速4500转/min，时间45s，甩胶后将片子放在热板上，从130°C逐步升温至170°C，热固化聚酰亚胺膜。形成介质和电极交替结构；
在步骤2得到的聚酰亚胺膜上，采用光刻工艺，通过曝光、显影、去胶，形成聚酰亚胺图形，使得电极对中的一个电极覆盖聚酰亚胺。再将图形化后的聚酰亚胺进一步作亚胺化处理，具体参数为300°C，1小时，亚胺化后聚酰亚胺的膜厚为4um。沉积一维纳米材料
将经过步骤3后的片子，采用电泳方法在未覆盖介质的电极上沉积一定密度的碳纳米管。电泳沉积的参数为电泳溶液中的碳纳米管重量百分比浓度为0. 1%，溶剂为丙酮，硝酸镁用作荷电辅助盐，重量百分比浓度为0. 1%，阴极为沉积为样品，阳极为不锈钢薄板。电泳沉积时施加电场强度5V/cm，时间为4分钟。 本实施例制备得 到的微放电电极电极间距为20微米，覆盖介质的电极表面介质膜均勻，覆盖区域定位准确，边界清晰、整齐，在另一电极表面和侧壁上分布有碳纳米管，对器件电离性能进行了测试，得到的离化阈值电压为10V，离化电流在15V明显开始下降，结果表明器件不但在较低的电压下发生离化，并且介质对离化电流的增长具有良好的抑制作用。
权利要求
1.一种基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，包括如下步骤步骤1，在衬底上制备三维微放电电极；步骤2，通过旋涂的方法在微放电电极表面沉积聚合物介质薄膜；步骤3，形成介质和电极交替结构利用光刻胶作为掩膜层，通过光刻、显影方法，对介质薄膜图形化，图形化后仅在微放电电极对中的一个电极表面覆盖有介质薄膜；步骤4，在未覆盖介质的微放电电极上沉积一维纳米材料。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述步骤1，具体为采用光刻、薄膜沉积、光刻胶剥离的方法，在衬底上制备微放电电极图形的电镀种子层；采用掩膜电镀的方法，在上述种子层上电镀三维微放电电极。
3.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述衬底为玻璃，或高阻硅，或表面沉积有绝缘材料的衬底。
4.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述微放电电极，为一对或多对平行微电极组成的阴阳电极对，由导电材料制得。
5.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述三维微放电电极对的尺寸为宽度20um，长度2000um，间距10_20um，高度5_15um。
6.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述的聚合物介质薄膜为聚酰亚胺，介质薄膜的厚度为4-6um。
7.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述一维材料为碳纳米管、碳化硅纳米线、硅纳米线、氧化锌纳米线中一种。
8.根据权利要求1或7所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述一维材料为碳纳米管。
9.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述步骤4，具体为采用电泳方法在未覆盖介质的微放电电极表面沉积一维纳米材料。
10.根据权利要求9所述的基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，其特征是，所述电泳方法的参数为电泳溶液中的碳纳米管重量百分比浓度为0. 1%，溶剂为丙酮， 荷电辅助盐为硝酸镁，重量百分比浓度为0. 1%，电极阴极为样品，阳极为不锈钢薄板；电泳沉积时施加电场强度5-15V/cm，时间为2-4分钟。
全文摘要
本发明公开一种基于碳纳米管的介质阻挡微放电结构的制备方法，具体包括如下步骤在衬底上制备三维微放电电极；在微电极表面沉积聚合物介质薄膜；形成介质和电极交替结构；在未覆盖介质的微电极上沉积一维纳米材料。本发明可以有效改善介质对微放电电极表面的覆盖性，增强了介质对离化的抑制作用，所形成的交替介质和电极结构，可避免电极间的碳纳米管的短路故障，提高器件的工作寿命和制备合格率。
文档编号H01J9/02GK102332375SQ20111022656
公开日2012年1月25日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者侯中宇, 徐东, 王雨化 申请人:上海交通大学