[发明专利]一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气敏元件制备新方法，工艺过程简单，易于推广，适合低成本、大规模、高效生产需要。属于气体传感器研究领域。

背景技术

目前半导体气敏传感器主要有以下几种结构类型：(1)烧结型气敏器件,其制作是将一定比例的气敏材料和一些掺杂剂用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳构成器件。(2)薄膜型气敏器件，其制作采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜，再引出电极。此方法也适用于生长的纳米线薄膜。(3)厚膜型气敏器件，是将气敏材料与3%～15%重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成。可以看出以上几种结构均需要消耗大量气敏原材料来制备气敏元件。

对于纳米线等一维纳米材料而言，除了具有高比表面积、高活性、高结晶度的特点外，由于其形貌的特殊性，如果能有效将这些一维纳米材料集成到器件中将大大降低原材料的消耗从而达到降低成本的目的。具体来说，对于基于单根纳米线的气敏元件，多采用先溶剂分散，后电子束曝光方法进行套刻制备测试用电极（参考文献：J.M.Baik,M.H.Kim,C.Larson,C.T.Yavuz,G.D.Stucky,A.M.Wodtke,M.Moskovits,Nano Lett.9(2009)3980-3984.；N.M.Kiasari,S.Soltanian,B.Gholamkhass,P.Servati,Sensors and Actuators A182(2012)101–105.），然而这种基于单根纳米线的传感器制作成本高、可重复性差、测量信号弱以及长期使用可靠性等方面并不理想。对于基于多根纳米线的气敏元件，多采用先制备梳齿状电极，然后将分散有气敏材料的溶液滴于上方，最后再蒸干多余溶剂的方法（参考文献：S.Yi,S.Q.Tian,D.W.Zeng,K.Xu,S.P.Zhang,C.S.Xie,Sensors and Actuator B185(2013)345-353.）。

综上几种方法，起主导作用的气敏材料本身无一例外，均与其他添加材料或溶剂接触，从而降低了与气体的接触面积或影响了气敏材料本征性能的体现，不利于后续气敏机理分析，此外，该种方法在纳米线分散过程中也存在损耗量大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法，简化工艺流程，缩短制备时间，提高气敏材料利用率，最后辅以气敏性能测试结果来证实少量纳米线可以达到或优于纳米线薄膜的气敏性能。资助项目为：国家自然科学基金青年科学基金项目（No.61106073）。

本发明的技术方案为：

一种干法制备纳米线阵列气敏元件的方法，其步骤为：

1）在基片上制备一梳齿状电极阵列；

2）从所述梳齿状电极阵列中分离出一个电极单元基片；

3）将分离出的所述电极单元基片的电极所在面贴到生长有纳米线薄膜的基片上，然后沿垂直于电极单元梳齿方向推压所述电极单元基片，将纳米线粘附到所述电极单元基片上，得到纳米线阵列气敏元件。

进一步的，制备所述梳齿状电极阵列的方法为：首先在SiO₂/Si基片上旋涂光刻胶后曝光制备一梳齿状图形阵列；然后依次制备金属粘附层和金属层，剥离光刻胶，得到所述梳齿状电极阵列。

进一步的，所述金属粘附层为Ti薄膜；所述金属层为Pt金属层。

进一步的，所述金属粘附层厚度为5nm；所述金属层厚度为45nm。

进一步的，所述纳米线薄膜为氧化铟纳米线薄膜。

进一步的，所述步骤2）的实现方法为：首先在所述梳齿状电极阵列相邻两个电极单元的边缘中间部位用金刚刀划一痕迹；然后利用所述梳齿状电极阵列所在基片的硅衬底晶格取向施力，使相邻电极单元分开，得到所述电极单元基片。

进一步的，所述梳齿状电极阵列的阵列单元间距3mm，梳齿状电极的线宽/间距为1μm/9μm，线长为500μm。