CN102403175A - 一种在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，包括如下步骤：在衬底上制备三维微放电电极；在微电极表面电泳沉积碳纳米管并同时形成氧化镁介质覆盖层。本发明通过改善碳纳米管和微放电电极表面的介质覆盖性，改善了介质对离化电流的抑制作用并延长了的工作寿命，制备步骤简单，制备成本低。

Description

一种在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法

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，涉及的是一种在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法。

背景技术

气体电离特性与气体的性质有密切关系，不同气体有不同的临界放电电压和临界放电电流，进而可以作为区别不同气体成分和浓度的依据。作为气体传感器，该类型传感器具有响应时间短，灵敏度高，恢复快等优点。但是用常规方法制备的电离电极几何尺寸较大，需要上千伏的工作电压，极大的限制了在传感器方面的应用。随着微纳技术的发展，出现了将碳纳米管等一维纳米材料与微加工技术制备的微米间歇电极组合而成的微纳放电电极结构，可以将大气压下气体放电的工作电压降低至几十伏以下，使得利用气体放电特性对气体定性、定量检测的可行性和实用性大大提高。

但是此类器件仍存在放电电流变化过快，离化程度难以控制问题，从而降低器件的使用寿命和工作可靠性。因此，如何在降低离化阈值电压的同时对电离程度进行限制成为此类器件应用中必需解决的主要问题。

介质阻挡放电(DBD)结构通过在放电电极表面和空间内加入绝缘介质，使产生的电离电荷在介质表面积聚，产生一个与外加电场方向相反的内建电场，从而使电极间隙间的总电场强度下降并停止放电。当施加反向的外加场强后，又开始一个新的放电周期。因此，通过DBD结构的自限制作用能有效地抑制电离电流的自由增长，从而获得较稳定的电离状态，增加器件的使用寿命。

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 anddielectric barrier”，Proceedings of the 3^rd IEEE Int.Conf.on Nano/MicroEngineered 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，介质层是采用溅射方法沉积的，需要专用的薄膜沉积设备，制备成本相对较高。而且一般的溅射沉积方法对三维微结构的覆盖能力较差，影响了侧壁电极上介质覆盖的完整性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，采用电泳方法，在电极上沉积碳纳米管的同时形成介电层，从而有效地改善了介质覆盖效果，提高了器件的性能和工作稳定性，并且简化操作步骤，降低制备成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用电泳沉积方法，在碳纳米管电泳液中添加过量硝酸镁，通过在电泳沉积碳纳米管过程中的析出，以及后续的热处理，在微电极表面形成介质薄膜。

本发明所述一种在微纳电极上形成介质阻挡层的方法，包括如下步骤：

步骤1.在衬底上制备三维微放电电极；

衬底为玻璃，或高阻硅，或陶瓷、或表面沉积有绝缘材料的衬底。

采用常用光刻、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.沉积一维纳米材料和介质层

采用电泳方法，在上述三维微放电电极上沉积一维纳米材料和介质层。电泳液中添加过量荷电辅助盐硝酸镁，介质层为氧化镁。

步骤3.介质层热处理

将上述沉积有碳纳米管和介质的样品进行真空热处理，获得稳定的MgO介质层。

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，浓度为1-10×10^-4mol/L，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。

所述介质层热处理为：真空下热处理，参数：300-500℃，1小时。

本发明的有益效果在于：

1.改进了介质层在电极侧壁和一维纳米材料表面的覆盖度，提高了器件对离化电流的限制作用。

2.在电泳沉积碳纳米管的同时形成介质层，有利于简化工艺，降低成本。

3.氧化镁具有较好的耐离子轰击能力，可以进一步提高器件的工作寿命。

具体实施方式

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图形。选用的种子层材料为Cu/Ti，Cu厚度0.12um，Ti厚度为0.03um。在上述有种子层电极图形的样品上，采用光刻工艺，形成光刻胶掩膜电镀图形，光刻胶高度为10um。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，得到电极宽度为20um，长度为2000um，电极间距为10um，高度为5um的镍放电电极。

2.电泳沉积碳纳米管和介质层；

在1步骤得到的Ni电极上，采用电泳方法沉积碳纳米管。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，硝酸镁浓度为1×10^-4mol/L，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。

3.介质层热处理；

将经过2步骤的样品放入真空退火炉中，进行热分解处理，退火温度300℃，时间1小时。

本实施例制备得到的微放电电极间距为10微米，电极表面覆盖了均匀的碳纳米管，碳纳米管表面被氧化镁晶粒包覆，但仍保持了碳纳米管的形貌。对器件的电离性能进行了测试，离化阈值电压低于10V，离化电流峰值小于10uA，说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。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，得到电极宽度为20um，长度为2000um，电极间距为15um，高度为10um的镍放电电极。

2.电泳沉积碳纳米管和介质层；

在步骤1得到的Ni电极上，采用电泳方法沉积碳纳米管。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，硝酸镁浓度为5×10^-4mol/L，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10V/cm，时间为3分钟。

3.介质层热处理；

将经过步骤2的样品放入真空退火炉中，进行热分解处理，退火温度400℃，时间1小时。

本实施例制备得到的微放电电极电极间距为15微米，电极表面覆盖均匀的碳纳米管，碳纳米管表面被氧化镁晶粒包覆，但仍保持碳纳米管形貌。对器件的电离性能进行了测试，离化阈值电压低于10V，离化电流峰值小于10uA，说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；

采用表面沉积了氧化硅层的硅片作为衬底，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。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，得到电极宽度为20um，长度为2000um，电极间距为20um，高度为15um的镍放电电极。

2.电泳沉积碳纳米管和介质层；

在步骤1得到的Ni电极上，采用电泳方法沉积碳纳米管。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，硝酸镁浓度为10×10^-4mol/L，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5V/cm，时间为4分钟。

3.介质层热处理；

将经过步骤2的样品放入真空退火炉中，进行热分解处理。退火温度500℃，时间1小时。

本实施例制备得到的微放电电极电极间距为20微米，电极表面覆盖均匀的碳纳米管，碳纳米管表面被氧化镁晶粒包覆，但仍呈现碳纳米管形貌。对器件的电离性能进行了测试，离化阈值电压低于10V，离化电流峰值小于10uA，说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。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，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，采用电泳方法，在上述三维微放电电极上沉积一维纳米材料并同时形成介质层，电泳液中添加过量荷电辅助盐硝酸镁，介质层为氧化镁；

步骤3，介质层热处理。

2.根据权利要求1所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，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所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，其特征是，所述衬底为玻璃，或高阻硅，或陶瓷、或表面沉积有绝缘材料的衬底。

4.根据权利要求1或2所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，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4所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，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所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，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、氧化锌纳米线中的一种。

7.根据权利要求6所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，其特征是，所述一维材料为碳纳米管。

8.根据权利要求1所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，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，浓度为1-10×10^-4mol/L，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。

9.根据权利要求1所述的在微纳电极上沉积介质阻挡层的方法，其特征是，所述介质层热处理为：真空条件下热处理，参数：300-500℃，1小时。