一種納米電極陣列及其制備方法技術

本發明專利技術提供了一種納米電極陣列，該納米電極陣列包括其上均勻垂直設置等高硅尖陣列2的硅片襯底1，設置硅尖陣列2一側的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，位于硅尖陣列2峰頂的金屬薄膜層3設有納米顆粒4。該本發明專利技術中的納米電極陣列，體積小、密度大、尖端曲率半徑小，可用于電離型氣體傳感器低成本、大批量制備。

Nano electrode array and preparation method thereof

The invention provides a nano electrode array, the nano electrode array includes a uniform vertical setting high silicon tip array 2 silicon substrate 1, silicon tip array set 2 side of the silicon substrate 1 and the surface of silicon tip arrays coated metal film 2 surface layer 3, metal film in silicon tip array 2 peak the 3 layer is provided with 4 nano particles. The nano electrode array of the invention has the advantages of small volume, large density and small curvature radius of the tip, and can be used for low cost and large batch preparation of the ionization type gas sensor.

【技術實現步驟摘要】
一種納米電極陣列及其制備方法
本專利技術涉及一種電極陣列及其制備方法，具體講涉及一種納米電極陣列及其制備方法。
技術介紹
氣體傳感器是將氣體的成份、濃度等信息轉化成對應的電信號再轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等識別的裝置。氣體傳感器種類繁多，如電離型氣體傳感器、化學吸附式氣體傳感器和紅外線氣體傳感器。基于氣體電離原理的電離型氣體傳感器，包括連接在高壓的單個或者多個曲率半徑很小的針狀尖端電極和連接地的大曲率半徑電極(如平板電極)，通過測量擊穿電壓及放電時電流－電壓關系，得到周圍環境中氣體種類及濃度信息。電離型氣體傳感器可以在室溫下工作，與化學吸附式氣體傳感器相比，具有可指紋性識別不同種類氣體、不易吸附待測氣體、響應和恢復時間短等優點。電離型氣體傳感器中針狀尖端電極曲率半徑對放電特性具有決定性影響，針狀尖端電極曲率半徑越小，越容易實現放電，放電電壓越低，傳感器的測量靈敏度越高。針狀尖端電極一般采用化學氣相沉積法制備的多壁碳納米管或陽極氧化鋁模板法制備的金屬氧化物及金屬納米纖維。采用MEMS技術可以獲得曲率半徑為納米級的尖端電極。有效降低放電電壓，簡化傳感器高壓電路并有助于提高穩定性。
技術實現思路
為克服現有技術存在的上述缺陷，本專利技術提供了一種納米電極陣列，該納米電極陣列放電起暈電壓為500-700V，遠遠小于其他納米電極陣列的放電起暈電壓1000V以上。為實現上述專利技術目的，本專利技術采取的技術方案為：一種納米電極陣列，包括其上均勻垂直設置等高硅尖陣列2的硅片襯底1，設置硅尖陣列2一側的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，位于硅尖陣列2峰頂的金屬薄膜層3設有納米顆粒4。進一步的，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設于凹槽的凹陷部，其高度與凹槽兩凸塊的高度相等，厚度為100μm-1000μm，硅片襯底1為方形或圓形。進一步的，硅尖陣列2為均勻分布的圓臺陣列，圓臺下底面間距為1μm-100μm；圓臺上下直徑分別為0.5μm-1μm和5μm-100μm，高度為5μm-800μm。進一步的，金屬薄膜層3厚度為10nm-300nm，金屬薄膜層3選用Au、Pt、Cr或W，金屬薄膜層3為單層。進一步的，納米顆粒4為金屬納米顆粒和/或金屬氧化物納米顆粒，納米顆粒4為直徑為1nm-100nm的球形顆粒。進一步的，金屬納米顆粒為Au、Pt、Cr、或W納米顆粒；金屬氧化物納米顆粒為ZnO、SnO2或WO3納米顆粒。本專利技術的另一目的在于提供了一種納米電極陣列的制備方法，包括如下步驟：(1)于清洗后的硅片襯底1表面熱氧化形成二氧化硅膜，光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對稱的二氧化硅掩膜，用HF緩沖液去除硅濕法腐蝕制備微米級硅尖陣列的二氧化硅；進一步的，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片；進一步的，熱氧化制備二氧化硅。進一步的，熱氧化為濕氧氧化，反應溫度為600-1000℃,形成二氧化硅膜的厚度為10nm-200nm；利用硅各向異性腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2；影響刻蝕形狀的因素主要有刻蝕液、刻蝕溫度、刻蝕添加物、掩膜補償和自停止技術等。具有一定密度和穩定的表面活性劑分子薄膜能夠針對外部環境侵蝕和老化提供靈活有效的保護方式。表面活性劑的加入為使各向異性濕法刻蝕后獲得光滑的刻蝕表面。表面活性劑分子具有吸附性，該種刻蝕技術能控制刻蝕結構形貌的變化。表面活性劑選用TritonX-100或NC-200。(2)用薄膜沉積法在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3；(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設納米顆粒4形成納米尖端；(4)大氣或氮氣氛中100℃～600℃下高溫燒結30min～2h,提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。進一步的，步驟(1)的硅濕法腐蝕的腐蝕溶液為KOH溶液或四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，于濕法腐蝕操作臺上腐蝕，溫度為室溫；KOH表現出較強的各向異性，針對所有晶面具有約100的較大的刻蝕速率比，對刻蝕結構形狀的良好控制性。KOH溶液毒性小，使用后的廢棄液體容易處理。SiO2掩膜在長時間刻蝕中會被大量或完全去掉。通常Si與SiO2掩膜的刻蝕選擇比約為150。進一步的，步驟(2)的薄膜沉積方法包括濺射或熱蒸發，沉積時間為10min～2h；磁控濺射工藝參數：濺射功率20W，濺射氣壓0.5Pa；濺射金屬膜層厚度由濺射時間控制，時間為10-30min。進一步的，步驟(4)高溫燒結于濕法刻蝕設備中進行，濕法刻蝕設備為馬弗爐或程控管式爐。與最接近的現有技術比，本專利技術的有益效果包括：1.本專利技術中的納米電極陣列，體積小、密度大、尖端曲率半徑小，可用于電離型氣體傳感器低成本、大批量制備。2.本專利技術中的納米電極陣列，增大了放電區域，提高檢測的線性范圍和靈敏度，減小每個尖端電極的放電電流，延緩電極老化過程，延長傳感器壽命。3.本專利技術中的納米電極陣列制備的氣體傳感器具有高靈敏度、高選擇性，能夠實現快速、便攜、低成本現場檢測。4.本專利技術中的納米電極陣列放電起暈電壓為500-700V，遠遠小于其他納米電極陣列的放電起暈電壓1000V以上。附圖說明圖1是本專利技術的電極陣列結構圖；其中(1)硅襯底,(2)硅尖陣列,(3)金屬薄膜層,(4)納米顆粒。具體實施方式下面結合實例對本專利技術進行詳細的說明。實施例1：按如下步驟制備納米電極陣列：(1)于清洗后的厚度為100μm的方形硅片襯底1表面濕氧氧化形成二氧化硅膜，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片，反應溫度為600℃，形成二氧化硅膜的厚度為10nm；光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對稱的二氧化硅掩膜，利用硅各向異性硅濕法腐蝕形成垂直排布在硅片襯底1上的硅尖陣列2，腐蝕溶液為KOH溶液，于濕法腐蝕操作臺上腐蝕，溫度為室溫；用HF緩沖液去除硅尖陣列的二氧化硅；表面活性劑選用TritonX-100。形成的硅片襯底1上均勻垂直設置等高硅尖陣列2，硅片襯底1剖面為凹槽形，硅尖陣列2豎直設于凹槽的凹陷部，其高度與凹槽兩凸塊的高度相等，硅尖陣列2為均勻分布的圓臺陣列，圓臺下底面間距為1μm；圓臺上下直徑分別為0.5μm和5μm，高度為5μm。(2)用濺射法在硅片襯底1和硅尖陣列2表面沉積金屬薄膜層3，磁控濺射工藝參數：濺射功率20W/cm2，濺射氣壓0.5Pa；濺射金屬膜層厚度由濺射時間控制，時間為10min。設置硅尖陣列2一側的硅片襯底1的表面和硅尖陣列2表面包覆金屬薄膜層3，金屬薄膜層3厚度為10nm，金屬薄膜層3選用Au，金屬薄膜層3為單層。(3)用靜電噴霧法在硅尖陣列2頂端金屬薄膜層3表面敷設納米顆粒4形成納米尖端；位于硅尖陣列2峰頂的金屬薄膜層3設有納米顆粒4。納米顆粒4為直徑為1nm的球形Au顆粒。(4)于馬弗爐中大氣氛圍中600℃下高溫燒結30min，提高納米顆粒同硅尖陣列金屬層表面的粘附性。制備的納米電極陣列放電起暈電壓為600V。實施例2：按如下步驟制備納米電極陣列：(1)于清洗后的厚度為1000μm的圓形硅片襯底1表面濕氧氧化形成二氧化硅膜，硅片襯底1為110晶向的雙面拋光硅片，反應溫度為1000℃，形成二氧化硅膜的厚度為200nm；光刻形成的形狀與硅尖陣列2鏡像對稱的二氧化硅掩膜，利用硅各向異性硅濕法腐蝕形成垂直排布在本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種納米電極陣列，包括其上均勻垂直設置等高硅尖陣列(2)的硅片襯底(1)，其特征在于，設置硅尖陣列(2)一側的所述硅片襯底(1)的表面和所述硅尖陣列(2)表面包覆金屬薄膜層(3)，位于所述硅尖陣列(2)峰頂的金屬薄膜層(3)設有納米顆粒(4)。

【技術特征摘要】
1.一種納米電極陣列，包括其上均勻垂直設置等高硅尖陣列(2)的硅片襯底(1)，其特征在于，設置硅尖陣列(2)一側的所述硅片襯底(1)的表面和所述硅尖陣列(2)表面包覆金屬薄膜層(3)，位于所述硅尖陣列(2)峰頂的金屬薄膜層(3)設有納米顆粒(4)。2.如權利要求1所述的一種納米電極陣列，其特征在于：所述硅片襯底(1)剖面為凹槽形，所述硅尖陣列(2)豎直設于所述凹槽的凹陷部，其高度與所述凹槽兩凸塊的高度相等，所述硅片襯底(1)厚度為100μm～1000μm，所述硅片襯底(1)為方形或圓形。3.如權利要求1所述的一種納米電極陣列，其特征在于：所述硅尖陣列(2)為均勻分布的圓臺陣列，所述圓臺下底面間距為1μm～100μm；所述圓臺上下直徑分別為0.5μm～1μm和5μm～100μm，高度為5μm～800μm。4.如權利要求1所述的一種納米電極陣列，其特征在于：所述金屬薄膜層(3)厚度為10nm～300nm，所述金屬薄膜層(3)選用Au、Pt、Cr或W，金屬薄膜層(3)為單層。5.如權利要求1所述的一種納米電極陣列，其特征在于：所述納米顆粒(4)為金屬納米顆粒和/或金屬氧化物納米顆粒，所述納米顆粒(4)為直徑為1nm-100nm的球形顆...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李璐，陳碩，何秀麗，高曉光，賈建，尉志勇，鄭天祥，
申請(專利權)人：國網智能電網研究院，國家電網公司，
類型：發明
國別省市：北京,11