一种基于EGFET的pH传感器制备工艺的制作方法

本发明涉及电化学和半导体物理领域，尤其涉及一种基于egfet的ph传感器制备工艺。

背景技术：

1、人类，以及地球上其他生物的生命活动，都离不开水环境。水体的酸碱度，对包括动物、植物和各类微生物等在内的生物体的生命活动，至关重要。溶液的酸碱度，是用ph值来定量的。根据ph的定义，水溶液的ph值大小，是溶液中h+的浓度。传统的ph测量技术，主要是ph试纸，和基于玻璃球泡电极的ph计。ph试纸分为广泛试纸(测量范围ph＝1～14，精确到1ph)和精密试纸(分区间测量，精确到0.1ph)。ph试纸是一次性使用的，且超出测量范围，也会导致试纸无效。玻璃电极ph计是基于能斯特方程，以对溶液中h+活度无响应的参比电极为基准，量化玻璃电极对被测溶液中h+的活度，通过电流计，将电位差放大，并显示分析结果。玻璃电极ph计具有较高的精度，但因其组成部分不可避免的使用玻璃材质，且内部使用多种溶液，在运输和使用过程中可能会存在玻璃破损、漏液等情况，给运输和使用增加难度和障碍。

2、基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)的离子敏感场效应传感器(ion-sensitive field effecttransistor，isfet)，是使用具有离子选择功能的栅绝缘材料，替代金属栅极。相比传统ph电极，isfet具有高灵敏度、高选择性和长期的稳定性等优点，且响应时间更短，能以集成阵列的形式，同时定量检测多种离子，在医药、种植、食品和环境等行业领域具有较大的市场潜力。

3、中国专利文献公开号cn108565262a公开的一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片及其制备方法，通过本发明创造，一方面在isfet传感器中，通过为isfet场效应晶体管配置一个镜像对称的refet场效应晶体管，并将两晶体管的参考电极设置在对称中心线上实现共用，可以利用refet场效应晶体管的敏感响应结果作为参照，另一方面通过为各个isfet传感器提供一个单独的液体样品容纳孔，可以利用高程孔壁有效阻碍相邻样品溶液的流动性。但是，上述isfet传感器件需要设置两个呈镜像对称的场效应晶体管，并需要保证两晶体管的参考电极设置在对称中心线上，制造成本高，且对晶体管的定位要求高，不便于生产制造。且用于该传感器件需要配合溶液使用，isfet传感器在使用中，isfet的芯片结构要浸泡在被测溶液中，器件与溶液的隔离密封受到考验。

4、中国专利文献公开号cn 112179956 b公开的基于掺铝氧化锌多孔纳米薄膜的mems甲醛传感器的制备方法，该传感器自下至上为sio2-si3n4掩蔽层、si基底、绝缘层为双层sio2-si3n4叠加、加热电极、敏感电极、测温电极、敏感材料和贵金属掺杂剂。采用聚苯乙烯微球作为掩蔽层，利用氧等离子体刻蚀调节微球直径的大小，利用磁控共溅射zno及al2o3在缩小直径的微球间隙沉积复合敏感薄膜，调节zno及al2o3溅射过程中的溅射功率、时间、衬底温度及溅射压力达到调节复合薄膜微观结构的目的，采用pd贵金属对掺铝氧化锌薄膜进行掺杂和表面改性。但是，上述传感器制备方法采用zno及al2o3作为复合敏感薄膜，由于al2o3是两性氧化物，在酸碱性环境中易受腐蚀，化学稳定性较差，且采用pd贵金属对掺铝氧化锌薄膜进行掺杂和表面改性，增大制备成本。且由于zno及al2o3为电极主体材料，导电性能较差，通过pd贵金属对zno及al2o3的表面进行改性以增强导电性能和提高传感器灵敏度，但如果pd贵金属的溅射沉积厚度太薄或者pd贵金属层无法均匀覆盖，则无法保证良好的导电性能和传感器灵敏度，若溅射沉积厚度太厚则会增大制备成本，且pd贵金属与zno及al2o3氧化物层相结合，需要保证结合强度，进一步增大传感器制备难度和制备成本，且传感器在使用中上述结合层比较脆弱，容易因操作不当被刮伤而损坏。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种基于egfet的ph传感器制备工艺，基于延长栅极场效应晶体管的高性能、高稳定性的ph传感器的制备工艺，其克服了传统ph计响应时间长、长期稳定性差，使用易碎的玻璃制品、离不开液体的缺陷。同时，解决了传统传感器的制备工艺中产品性能稳定性与制备成本难以平衡的技术难题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于egfet的ph传感器制备工艺，包括如下步骤：

4、egfet导电衬底制备：对硅片进行除尘、清洗后，采用等离子体磁控溅射法，在硅片单抛面上沉积ti纳米层下电极，形成egfet导电衬底；

5、ph敏感薄膜制备：在egfet导电衬底上采用等离子体磁控溅射法，利用含ta靶材在ti纳米层下电极上，通过掩膜版沉积ta2o5敏感膜，形成ph敏感薄膜；

6、ph敏感颗粒制备：对ph敏感薄膜进行切割，得到ph敏感颗粒；

7、egfet器件引线封装：将mosfet芯片4的栅极电连接至ti纳米层下电极1后，胶封形成ph传感器。

8、本发明优选的技术方案在于，ph传感器包括pcb板3，mosfet芯片4设置于pcb板3上；

9、mosfet芯片的漏极通过银胶固定在pcb板的一个焊盘上；

10、mosfet芯片的源极通过超声压焊机引线，连接至pcb板的另一个焊盘上；

11、mosfet芯片的栅极通过超声压焊机引线，连接至ti纳米层下电极。

12、本发明优选的技术方案在于，在硅片上等离子体磁控溅射沉积ti纳米层下电极的工艺参数为：

13、溅射功率为80w～150w，溅射工作气体为高纯氩气，溅射工作气压为0.0060torr～0.0100torr；

14、ti纳米层下电极的等离子体磁控溅射沉积厚度≥29nm。

15、本发明优选的技术方案在于，含ta靶材为ta靶；

16、在egfet导电衬底上使用ta靶进行镀膜的工艺参数为：

17、工作气体为o2与ar的混合气，其中，o2与ar的流量比为5：95～30：70；

18、气体总流量为30sccm～100sccm，功率为30w～200w。

19、本发明优选的技术方案在于，含ta靶材为ta2o5靶；

20、在egfet导电衬底上使用ta2o5靶进行镀膜的工艺参数为：

21、工作气体为o2与ar的混合气，其中，o2的流量为0sccm～30sccm，气体总流量为30sccm～80sccm，功率为30w～130w。

22、本发明优选的技术方案在于，对硅片进行除尘、清洗，包括：首先采用高压氮气枪对单晶硅片表面进行除尘，再使用rca清洗法，对硅片进行清洗。

23、本发明优选的技术方案在于，对ph敏感薄膜进行切割，包括：通过金刚石切割机或者激光划片机切割ph敏感薄膜，按掩模板设计的尺寸，将ph敏感薄膜切割成单个的ph敏感颗粒。

24、本发明优选的技术方案在于，掩模板的窗口尺寸为50μm×50μm～5mm×5mm。

25、本发明优选的技术方案在于，ta2o5敏感膜的厚度为60nm～200nm。

26、本发明优选的技术方案在于，mosfet芯片与ph敏感颗粒分别通过封装胶进行胶封，形成ph传感器，封装胶为硅胶或者环氧树脂。

27、本发明的有益效果为：

28、1.本发明使用高性价比的ti纳米层作egfet的下电极导电层，成本低于au、pt等贵金属，性能优于导电氧化物等，且能与敏感材料形成欧姆接触。

29、2.使用ta2o5靶，制备出氧缺陷可控的ta2o5敏感膜材料；使用金属ta靶，通过调节工作气体中o2：ar比，控制ta2o5敏感膜中氧缺陷浓度，调配出性能最优的ta2o5敏感膜材料。

30、3.器件不含水溶液及玻璃制品，且能重复使用。