专利名称：一种全碳微传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管和碳MEMS电极的全碳微传感器及其制备方法。 技术背景碳纳米管(Carbon Nanotube)在纳米尺度上由碳原子组成的独特管型 结构使它具有高机械强度、高热导、高电导等特性。由于碳原子在管型空 间分布的多样性，使碳纳米管呈现出金属和半导体两大类，因此在许多领 域例如二极管、场效应管、场发射器件、能带工程、集成电路中的金属互 联等具有广泛的应用前景。碳纳米管具有超高速的转换速度、卓越的热特性及与主流CMOS的兼 容性等其他材料所无法实现的特性，它给传感器领域也带来了新的研究机 遇和发展空间。用一维碳纳米管作为敏感材料，与常规传感器相比其庞大 的管状界面，提供了气、液相与固体敏感材料接触和作用的通道，从而大 大提高了灵敏度；同时可以大大降低传感器的工作温度和尺寸。把纳米级 光敏、湿敏、气敏、压敏等材料与碳纳米管组装，可以制成纳米级的各种 功能传感器。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛 的发展前途。基于碳纳米管的传感器的结构是多样化的。目前碳纳米管的传感器一 般采用物理气相淀积的金属薄膜经光刻技术微加工制备成一定图形的电 极， 一般为平面电极，横跨电极间的敏感元件与基底表面的间距受到平面 电极的厚度限制，远离基底表面的空间的探测不能实现，整个传感器的性 能受衬底影响大。电镀形成的金属电极能做到较好的高宽比，电极厚度比 物理气相淀积的金属薄膜厚，但是这样的电极的尺寸精度一般难以达到微纳米，而且电镀废液的处理成本昂贵，并容易对环境造成污染。碳MEMS电极在生物化学医药环境检测和监控中由于有着良好的兼容 性，比金属电极优越。利用MEMS技术制备的碳MEMS电极具有电极结构 设计灵活的特点，可实现立体三维微结构。基于碳MEMS电极的传感器性 能受衬底影响小，具有实现对微尺度空间任意位置进行探测的潜力。基于 碳纳米管和碳MEMS的可集成全碳微传感器在生物化学医药环境检测和监 控特别是微流体测量中具有广泛的应用前景。发明内容本发明的目的在于提供一种全碳微传感器，该传感器具有使碳纳米管 空间定位灵活、传感器敏感度可设计的特点；本发明还提供了制备该传感 器的方法，该方法工艺简单，并与半导体IC工艺兼容。本发明提供的全碳微传感器，其特征在于衬底为表面带氧化层的硅 片，在衬底上设置有二个碳MEMS电极，在二个碳MEMS电极之间的距离 为1 10pm，碳MEMS电极的厚度为l 100|am;碳纳米管架设于二个碳 MEMS电极之间，碳纳米管的直径为10 30nm。上述全碳微传感器的制备方法，其步骤包括第1步对表面带氧化层的衬底进行清洗；第2步按下述过程在衬底上制备碳MEMS电极 (2. 1)在衬底上旋转涂覆一层厚度为1 100)im的光刻胶膜； (2. 2)采用紫外曝光工艺将光刻胶膜加工成设计的图形； (2. 3)在N2/H2气氛下，使光刻胶碳化形成二个碳MEMS电极，二 个碳MEMS电极之间的距离为l 10|im;第3步按下述过程将碳纳米管连接在二个碳MEMS电极之间 (3. 1)将直径为10 30nm碳纳米管与无水乙醇溶剂按0.005 0.05mg/ml比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散，形成碳纳米管悬浮液； (3. 2)将0.5 1MHz， 5 10V的交流电压加载到衬底上的二个碳MEMS电极之间，将碳纳米管悬浮液滴到二个碳MEMS电极之间，当溶剂 挥发完全时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场； 第4步在N2/H2气氛下退火，形成全碳微传感器。本发明利用碳纳米管和碳MEMS电极构成全碳微传感器。以碳纳米管 为敏感元件的传感器功耗低。由于碳MEMS电极可在微纳米尺度上提供的 二维和三维的电极图形可设计性，使碳纳米管空间定位灵活、传感器敏感 度可设计的特点。本发明克服了传统平面微电极传感器受衬底影响大、不 能精确探测微空间的局限性，并具有良好的高密度集成的潜力，在生物化 学医药环境检测和监控中具有广泛的应用前景。
图1为本发明提供的全碳微传感器的纵向结构示意图。 图2为全碳微传感器的俯视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，本发明全碳微传感器的结构为采用表面生长有氧化层的硅片作为衬底1。在衬底1上设置有二个碳MEMS电极21、22，碳MEMS 电极21、 22之间的距离为1 101im,碳MEMS电极21、 22的厚度为1(im 100nm;碳纳米管3架设于碳MEMS电极21、 22之间，碳纳米管3的直径 为10 30nm，通过退火形成全碳微传感器。下面举例加以说明 实施例1:(1) 将衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 将碳MEMS电极制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用光刻胶AZ5214，经旋转涂覆(速度4000rpm)，形成厚 度为 lpm的光刻胶膜；(2. 2)采用紫外曝光工艺包括前烘、曝光、显影和后烘，将光刻胶膜加工成所设计的图形；(2. 3)在1000。C， N2/H2 (85%N2+15%H2)气氛下处理1小时，使 光刻胶碳化形成碳MEMS电极2K 22，碳MEMS电极21、 22之间的距离 为lpm;将碳纳米管连接在碳MEMS电极之间，其过程为(3.1)将直径为10 30nm碳纳米管3与无水乙醇溶剂按0.005mg/ml 比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(3. 2)将0.5MHz， 5V的交流电压加载到衬底1上的碳MEMS电极 21、 22间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全 时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(4)在N2/H2 (85°/。N2+15%H2)气氛下，350。C退火处理，使碳纳米 管与碳MEMS电极获得良好的接触形成全碳微传感器。实施例2:(1) 将衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 将碳MEMS电极制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用光刻胶SU8，经旋转涂覆(速度5000rpm)，形成厚度为 20pm的光刻胶膜；(2. 2)采用紫外曝光工艺包括前烘、曝光、显影和后烘，将光刻胶 膜加工成所设计的图形；(2. 3)在IOOO'C， N2/H2 (90%N2+10%H2)气氛下1小时，使光刻 胶碳化形成碳MEMS电极21、22，碳MEMS电极21、22之间的距离为5|Lim; 将碳纳米管连接在碳MEMS电极之间，其过程为(3. 1)将直径为10 30nm碳纳米管3与无水乙醇溶剂按0.01mg/ml 比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(3. 2)将0.5MHz, 8V的交流电压加载到衬底1上的碳MEMS电极 21、 22间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全 时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(4)在450°C, N2/H2 (90%N2+10%H2)气氛下，退火处理，使碳纳 米管与碳MEMS电极获得良好的接触形成全碳微传感器。实施例3:(1) 将衬底1按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；(2) 将碳MEMS电极制备在衬底1上，其过程为(2. 1)采用光刻胶SU8，经旋转涂覆(速度1000rpm)，形成厚度为 lOO)im的光刻胶膜；(2. 2)采用紫外曝光工艺包括前烘、曝光、显影和后烘，将光刻胶 膜加工成所设计的图形；(2. 3)在100(TC， N2/H2 (95%N2+5%H2),的气氛下热处理，使光刻 胶碳化形成碳MEMS电极21、22，碳MEMS电极21、22之间的距离为lOpm; 将碳纳米管连接在碳MEMS电极之间，其过程为(3.1)将直径为10 30nm碳纳米管3与无水乙醇溶剂按0.05mg/ml 比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散；(3. 2)将lMHz, 10V的交流电压加载到衬底1上的碳MEMS电极 21、 22间，用微型注射器将碳纳米管悬浮液滴到电极间，当溶剂挥发完全 时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场；(4)在N2氾2 (95%N2+5°/。H2)气氛下，50(TC退火处理，使碳纳米管 与碳MEMS电极获得良好的接触形成全碳微传感器。以上所述为本发明的较佳实施例而己，但本发明不应该局限于该实施 例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等 效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种全碳微传感器，其特征在于衬底(1)为表面带氧化层的硅片，在衬底(1)上设置有二个碳MEMS电极(21、22)，在二个碳MEMS电极(21、22)之间的距离为1～10μm，碳MEMS电极(21、22)的厚度为1～100μm；碳纳米管(3)架设于二个碳MEMS电极(21、22)之间，碳纳米管(3)的直径为10～30nm。
2、 一种制备权利要求1所述全碳微传感器的方法，其步骤包括 第1步对表面带氧化层的衬底进行清洗； 第2步按下述过程在衬底上制备碳MEMS电极 (2. 1)在衬底上旋转涂覆一层厚度为1 100)nm的光刻胶膜； (2. 2)采用紫外曝光工艺将光刻胶膜加工成设计的图形； (2. 3)在N乂H2气氛下，使光刻胶碳化形成二个碳MEMS电极，二 个碳MEMS电极之间的距离为l 10|um;第3步按下述过程将碳纳米管连接在二个碳MEMS电极之间 (3. 1)将直径为10 30nm碳纳米管与无水乙醇溶剂按0.005 0.05mg/ml比例混合，经超声使碳纳米管均匀分散，形成碳纳米管悬浮液； (3. 2)将0.5 1MHz， 5 10V的交流电压加载到衬底上的二个碳 MEMS电极之间，将碳纳米管悬浮液滴到二个碳MEMS电极之间，当溶剂 挥发完全时，碳纳米管将电极连通并定位在电极间，此时撤除所加电场； 第4步在N2/H2气氛下退火，形成全碳微传感器。
全文摘要
本发明公开一种微传感器及其制备方法。该微传感器的结构为衬底为表面带氧化层的硅片，在衬底上设置有二个碳MEMS电极，在二个碳MEMS电极之间的距离为1～10μm，碳MEMS电极的厚度为1～100μm；碳纳米管架设于二个碳MEMS电极之间，碳纳米管的直径为10～30nm。其制备方法是在衬底上利用光刻胶经热处理碳化制作碳MEMS电极，在碳MEMS电极利用介电电泳和退火处理将碳纳米管定位在碳MEMS电极之间。本发明克服了传统电极的传感器受衬底影响大、不能探测空间位置的缺点，并具有良好的高密度集成的潜力，在生物化学医药环境检测和监控特别是微流体测量中具有广泛的应用前景。
文档编号G01N27/26GK101403722SQ200810197518
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者周文利, 孙伟钧, 李宇鹏 申请人:华中科技大学