CN104071742A - 基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法 - Google Patents

基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法。其中该探测器包括：基底，基底中形成有贯穿基底顶表面和底表面的检测窗口；两个异质悬臂梁，每个异质悬臂梁位于基底之上，每个异质悬臂梁的固定端与基底相连，自由端悬空在检测窗口之上；单壁碳纳米管薄膜，单壁碳纳米管薄膜桥接于两个异质复合悬臂梁的两个自由端之间，其中，异质悬臂梁包括第一材料层和位于第一材料层之上的第二材料层，第一材料层与第二材料层的热膨胀系数不相同。本发明的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器具有灵敏度高、结构简单等优点。

Description

基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法
技术领域
本发明属于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电领域)，具体涉及一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法。
背景技术
1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪***，主要红外材料为α-Si(非晶硅)与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以氧化钒为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。氧化钒材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用氧化钒材料制备的，近年Raytheon公司大规模开发α-Si(非晶硅)热敏性红外探测器，在世界红外探测器市场占有一定的空间。
单壁碳纳米管(single walled carbon nanotubes，SWNTs)是近年来最热门的新兴材料之一。SWNTs在不同的温度下具有不同的电阻值，具有很好的红外吸收功能，其材料本身噪音与其他热敏材料相比很低。因此已有科学研究者利用该特性制作高灵敏度的辐射热计，该辐射热计探测红外线时具有低噪声，灵敏度高，响应时间短等特性。另外，SWNTs对应力的影响也很敏感，受到应力作用时，单壁碳纳米管薄膜的电阻有明显的变化。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种灵敏度更高的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法。
有鉴于此，本发明第一方面提出了一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器，可以包括：基底，所述基底中形成有贯穿所述基底顶表面和底表面的检测窗口；两个异质悬臂梁，每个所述异质悬臂梁位于所述基底之上，每个所述异质悬臂梁的固定端与所述基底相连，自由端悬空在所述检测窗口之上；单壁碳纳米管薄膜，所述单壁碳纳米管薄膜桥接于所述两个异质复合悬臂梁的两个自由端之间，其中，所述异质悬臂梁包括第一材料层和位于所述第一材料层之上的第二材料层，所述第一材料层与所述第二材料层的热膨胀系数不相同。
本发明实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器受到红外线照时，内部的双悬臂梁受热膨胀变形从而对单壁碳纳米管薄膜产生应力进而导致薄膜电阻值变化，同时单壁碳纳米管薄膜自身因为升温而影响薄膜电阻值，在这双重作用下，单壁碳纳米管薄膜的电阻值变化非常明显，这意味着该实施例的双悬臂梁红外探测器具有很高的灵敏度。该实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器还具有结构简单等优点。
有鉴于此，本发明第二方面提出了一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法，可以包括以下步骤：提供基底；在所述基底之上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层与所述第二材料层的热膨胀系数不相同；在所述第一材料层和第二材料层中形成开口，所述开口贯穿所述第一材料层底表面和所述第二材料层顶表面；对所述基底进行背面刻蚀，所述进行背面刻蚀的位置与所述开口对应，以使所述基底中形成贯穿所述基底顶表面和底表面的检测窗口，并使所述开口附近的所述第一材料层和第二材料层形成两个异质悬臂梁的自由端；形成单壁碳纳米管薄膜，所述单壁碳纳米管薄膜桥接于所述两个异质复合悬臂梁的两个自由端之间。
本发明实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法制得的红外探测器受到红外线照时，内部的双悬臂梁受热膨胀变形从而对单壁碳纳米管薄膜产生应力进而导致薄膜电阻值变化，同时单壁碳纳米管薄膜自身因为升温而影响薄膜电阻值，在这双重作用下，单壁碳纳米管薄膜的电阻温度系数变化非常明显，这意味着该实施例的双悬臂梁红外探测器具有很高的灵敏度。该实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法还具有工艺简单、与现有MEMS工艺兼容等优点。
附图说明
图1是本发明一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的示意图。
图2是本发明另一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的示意图。
图3是本发明一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法的流程图。
图4是本发明另一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法的流程图。
图5a-图5f是本发明一个具体实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法的过程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明第一方面提出了一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器。
图1是本发明一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的示意图。如图1所示，包括：基底10、两个异质悬臂梁2和单壁碳纳米管薄膜3。基底10中形成有贯穿基底10的顶表面和底表面的检测窗口W。每个异质悬臂梁2位于基底10之上，每个异质悬臂梁2的固定端与基底10相连，自由端悬空在检测窗口W位置。单壁碳纳米管薄膜3桥接于两个异质复合悬臂梁2的两个自由端之间，其中，异质悬臂梁2包括第一材料层21和位于第一材料层21之上的第二材料层22，第一材料层21与第二材料层22的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)不相同。
该实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的工作原理为：将探测器置于待检测环境中，环境中的红外线通过检测窗口W照射到两个异质悬臂梁2的自由端以及单壁碳纳米管薄膜3上。由于异质悬臂梁2由热膨胀系数不匹配的第一材料层21与第二材料层22组成，因此在红外线的热效应下，第一材料层21与第二材料层22的伸长量不相同，异质悬臂梁2发生弯曲变形，然后两个异质悬臂梁2牵引单壁碳纳米管薄膜3一同产生形变对单壁碳纳米管薄膜产生应力，使得单壁碳纳米管薄膜3的电阻值发生变化。同时，单壁碳纳米管薄膜3本身就具有很高的电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)。在形变产生的应力影响和温度影响的双重作用叠加效应下，单壁碳纳米管薄膜的电阻值变化非常明显，这意味着该实施例的双悬臂梁红外探测器具有很高的灵敏度。该实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器还具有结构简单的优点。
图2是本发明另一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的示意图。如图2所示，该实施例的双悬臂梁红外探测器还包括钝化层11。钝化层11位于基底10与两个异质悬臂梁2之间，以及位于基底10下表面。钝化层11可以对基底10起到绝缘保护作用。
为了使红外线更好地汇聚到红外探测器中的两个异质悬臂梁2的自由端以及单壁碳纳米管薄膜3上，检测窗口W可以设计成顶部面积小于底部面积的形状，例如上小下大的锥台形状或者棱台形状，如图2中的检测窗口W所示。
为了使两个异质悬臂梁2受热膨胀时产生明显的挠曲变形，优选第一材料层21和第二材料层22的热膨胀系数有显著差异。例如：可以选择第一材料层21为SiNx红外吸收层，第二材料层22为Al金属层。需要说明的是，也可以选择其他热膨胀系数小的红外吸收层和热膨胀系数大的金属层。
为了获得较好的薄膜质量，单壁碳纳米管薄膜3可以是通过双向电泳法制备的。双向电泳法制备单壁碳纳米管薄膜采用的设备简单，成本低，成膜快，适宜于大规模制膜，制得的薄膜厚度均匀，电泳沉积时的料液可循环使用，无酸碱污染物排出，制膜过程具有绿色环保的优点。
本发明第二方面提出了一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法。
图3是本发明一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法的流程图。如图3所示，该实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法包括以下步骤：
S31.提供基底。
S32.在基底之上依次形成第一材料层和第二材料层，第一材料层与第二材料层的热膨胀系数不相同。
需要说明的是，第一材料层21和第二材料层11的面积小于基底面积，具体尺寸由悬臂梁的设计尺寸决定。
S33.在第一材料层和第二材料层中形成开口，开口贯穿第一材料层底表面和第二材料层顶表面。
需要说明的是，该开口的形成过程可以为一次形成(即先形成第一材料层和第二材料层之后一次性加工形成贯穿这两层的开口)，也可以为二次形成(即形成第一材料层后立即在第一材料层中开口，然后形成第二材料层后再在第二材料层中继续开口)。具体工艺取决于第一材料层和第二材料层的材料特性。
S34.对基底进行背面刻蚀，进行背面刻蚀的位置与开口对应，以使基底中形成贯穿基底顶表面和底表面的检测窗口，并使开口附近的第一材料层和第二材料层形成两个异质悬臂梁的自由端。
S35.形成单壁碳纳米管薄膜，单壁碳纳米管薄膜桥接于两个异质复合悬臂梁的两个自由端之间。
本发明实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法制得的红外探测器受到红外线照时，内部的双悬臂梁受热膨胀变形从而对单壁碳纳米管薄膜变产生盈利而导致薄膜电阻值变化，同时单壁碳纳米管薄膜自身因为升温而影响薄膜电阻值，在这双重作用下，单壁碳纳米管薄膜的电阻温度系数值变化非常明显，这意味着该实施例的双悬臂梁红外探测器具有很高的灵敏度。该实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法还具有工艺简单、与现有MEMS工艺兼容等优点。
图4是本发明另一个实施例的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法的流程图。如图4所示，该实施例的形成方法中还包括步骤：在形成第一材料层和第二材料层之前，在基底表面形成钝化层。钝化层可以对基底起到绝缘保护作用。
为了使红外线更好地汇聚到红外探测器中的两个异质悬臂梁的自由端以及单壁碳纳米管薄膜上，检测窗口可以加工成顶部面积小于底部面积的形状，例如上小下大的锥台形状或者棱台形状。
为了使两个异质悬臂梁受热膨胀时产生明显的挠曲变形，优选第一材料层和第二材料层的热膨胀系数有显著差异。例如，可以选择第一材料层为SiNx红外吸收层，第二材料层为Al金属层。需要说明的是，也可以选择其他热膨胀系数小的红外吸收层和热膨胀系数大的金属层。
为了获得较好的薄膜质量，可以通过双向电泳法制备单壁碳纳米管薄膜。双向电泳法制备单壁碳纳米管薄膜采用的设备简单，成本低，成膜快，适宜于大规模制膜，制得的薄膜厚度均匀，电泳沉积时的料液可循环使用，无酸碱污染物排出，制膜过程具有绿色环保的优点。
为使本领域技术人员更好地理解本发明的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器及其形成方法，发明人结合图5a-图5f详细解释一个具体实施例如下：
如图5a所示，选择单晶硅材料的基底10，将其清洗、干燥后备用。
如图5b所示，对基底10进行热氧化，以形成二氧化硅的钝化层11。例如，可以在1100℃下采用低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)形成钝化层11，钝化层11的厚度约500nm。
如图5c所示，在基底10顶部的钝化层11之上依次形成长约120μm、宽约40μm的第一材料层21和第二材料层22。其中，第一材料层21的材料为SiNx，可以通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)形成，厚度大约500nm。第二材料层22的材料为Al，可以通过电子束蒸发沉积(electron beam evaporator deposition)形成，厚度大约200nm。
如图5d所示，在第一材料层21和第二材料层22的中央位置开口。由于二者材料性质差异较大，故无法一次开口，而需要分两次进行。例如，首先采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)工艺刻蚀掉Al以形成第二材料层22中的开口，刻蚀气体可以采用为Cl2与BCl3的混合气体。随后利用SF6和He的混合气体作为刻蚀气体进行深度反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)形成第一材料层21中的开口。需要说明的是，第一材料层21中的开口面积和第二材料层22中的开口宽度可以相等，也可以第一材料层21中的开口宽度略小于第二材料层22中的开口宽度。开口宽度决定了后续双电泳制备单壁碳纳米管薄膜过程中电泳电极的距离。在本实施例中，开口宽度取值为15μm。
如图5e所示，在基底10的底部从背面进行刻蚀，形成检测窗口W。具体地，可以先通过平面印刷技术在基底10底部的钝化层11上加工出的刻蚀图形，该刻蚀图形的位置与前面步骤加工形成的开口位置相对应。然后通过DRIE工艺去除掉刻蚀图形区域处的二氧化硅，此时基底10底部的局部区域未被钝化层11覆盖而暴露出来。然后利用四甲基氢氧化铵(Tetramethylammonium Hydroxide,TMAH)溶液中对基底10的暴露区域进行湿化学腐蚀以去除硅材料。由于湿化学腐蚀具有各向同性的特点，因此容易得到底部面积大于顶部面积的刻蚀坑洞(该刻蚀坑洞即检测窗口的前身)。随后继续DRIE工艺去除掉基底10顶部的钝化层11的局部部分，可以得到了贯穿基底10的顶表面和底表面的检测窗口W，同时开口附近的第一材料层21和第二材料层22也变成两个异质悬臂梁2的自由端。
如图5f所示，两个异质复合悬臂梁2的两个自由端之间通过双电泳法制备出单壁碳纳米管薄膜3，该单壁碳纳米管薄膜3桥接两个自由端。具体地，
首先将1mg单壁碳纳米管(SWNTs)粉末加入到100ml质量百分数为1％的十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate，SDS)溶液中，并超声2-3小时进行震荡分散，然后12000rpm转速下离心10min以撇去未分散的SWNTs，留取上层悬浮液待用。将开口两端的两个铝层作为电泳的两个电极，并在它们之间加载频率为1MHz、振幅为10Vp-p的直流电场。将前面制备的悬浮液滴入两个铝电极之间时，悬浮液中的SWNTs由于具有双电泳(dielectrophoresis，DEP)的特性，而在电场力的作用下向两边的电极运动。最终悬浮液中的部分SWNTs运动到两端电极附近、部分SWNTs仍保留在两个电极之间，即形成了一个铺展的弯月形水膜(water meniscus)。所收集的单壁碳纳米管是由表面张力和压缩附着在铝尖。得到单壁碳纳米管薄膜3，厚度约为15μm。了一个基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器。
对上述过程制得的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器进在20℃到80℃范围内进行测试。测试结果表明SiNx/Al异质悬臂梁吸收红外辐射挠曲后受红外辐射和应力影响双重叠加作用下，单壁碳纳米管薄膜的电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，TCR)为2.38％K-1。TCR是指温度上升1℃时电阻值的变化率。而在同样环境下，无SiNx吸收层、单独在红外辐射影响下，单壁碳纳米管薄膜的电阻温度系数为1.85％K-1。由此可见，本发明的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器灵敏度更高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器，其特征在于，包括：
基底，所述基底中形成有贯穿所述基底顶表面和底表面的检测窗口；
两个异质悬臂梁，每个所述异质悬臂梁位于所述基底之上，每个所述异质悬臂梁的固定端与所述基底相连，自由端悬空在所述检测窗口之上；
单壁碳纳米管薄膜，所述单壁碳纳米管薄膜桥接于所述两个异质复合悬臂梁的两个自由端之间，
其中，所述异质悬臂梁包括第一材料层和位于所述第一材料层之上的第二材料层，所述第一材料层与所述第二材料层的热膨胀系数不相同。
2.根据权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器，其特征在于，所述检测窗口的顶部面积小于底部面积。
3.根据权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器，其特征在于，所述第一材料层为SiNx，所述第二材料层为Al。
4.根据权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器，其特征在于，所述单壁碳纳米管薄膜是通过双向电泳法制备的。
5.根据权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器，其特征在于，还包括：
钝化层，所述钝化层位于所述基底与所述两个异质悬臂梁之间，以及位于所述基底下表面。
6.一种基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基底；
在所述基底之上依次形成第一材料层和第二材料层，所述第一材料层与所述第二材料层的热膨胀系数不相同；
在所述第一材料层和第二材料层中形成开口，所述开口贯穿所述第一材料层底表面和所述第二材料层顶表面；
对所述基底进行背面刻蚀，所述进行背面刻蚀的位置与所述开口对应，以使所述基底中形成贯穿所述基底顶表面和底表面的检测窗口，并使所述开口附近的所述第一材料层和第二材料层形成两个异质悬臂梁的自由端；
形成单壁碳纳米管薄膜，所述单壁碳纳米管薄膜桥接于所述两个异质复合悬臂梁的两个自由端之间。
7.根据权利要求6所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法，其特征在于，所述检测窗口的顶部面积小于底部面积。
8.根据权利要求6所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法，其特征在于，所述第一材料层为SiNx，所述第二材料层为Al。
9.根据权利要求6所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法，其特征在于，通过双向电泳法制备所述单壁碳纳米管薄膜。
10.根据权利要求6所述的基于单壁碳纳米管的双悬臂梁红外探测器的形成方法，其特征在于，还包括：
在形成第一材料层和第二材料层之前，在所述基底表面形成钝化层。
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