专利名称：一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微纳米传感器制造技术领域，特别是一种采用碳纳米管薄膜的、具有单值输入输出特性、对气体浓度、温度、湿度具有敏感特性的三电极传感器及其制备方法。
背景技术：
随着工业生产和环境检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米传感器已获得长足的进展。尤其是随着20世纪末期碳纳米管的发现，碳纳米管在气体、温度、湿度检测领域展现出诱人的应用前景。碳纳米管气敏、温敏、湿敏传感器中的碳纳米管薄膜两电极传感器，以其检测灵敏度高、检测气体范围宽、响应快等优点，成为气体、温度、湿度检测领域的研究热点。碳纳米管薄膜两电极气敏传感器基于气体放电原理，克服了其它类型的碳纳米管气敏传感器在被测气体中饱和中毒的缺点，气体浓度测量范围及被测气体种类范围更宽。用碳纳米管作为敏感材料构成的气敏、温敏、湿敏传感器，具有常规传感器不可替代的优点一是碳纳米管的比表面积大，在传感器整体尺寸较小的情况下，可大大提高电极的面积；二是基于碳纳米管纳米级的尖端曲率半径，使传感器工作电压极大降低，并在碳纳米管尖端附近获得极强的电场强度，在低电压下使被测气体电离；三是大大缩小了传感器的尺寸，动态响应快。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事、反恐等方面具有广泛的发展前途。现有的碳纳米管薄膜两电极传感器包括由西安交通大学的刘君华、张勇、李昕、朱长纯教授等人在2001年的第14届IVMC国际真空微电子学国际会议公开的碳纳米管薄膜两电极气体传感器(图1所示)。该传感器工作之后由于极间放电后空间电荷难以扩散，传感器难以恢复到初始状态，并且传感器击穿电压、击穿电流与气体浓度之间呈现多值关系 (图2，图3)，无法对气体浓度进行测量。美国伦斯勒工业学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的NikhilKoratkar与Pulickel M Ajayan教授等人研制了碳纳米管薄膜阳极CNTFA(carbonnanotube film anode)两电极气体传感器。该传感器击穿电压与气体浓度之间呈现非线性关系，击穿放电电流与气体浓度之间线性误差较大；同时该传感器必须与色谱仪联用，用CNTFA替代传统的色谱仪中的气体探测器，采用色谱柱分离技术，来解决 CNTFA对混合气体的识别与浓度测量问题；该传感器放电电压和放电电流都较大；而且无法实现CNTFA对单一气体与混合气体的测量。浙江大学生物医学工程与仪器科学学院的惠国华、陈裕泉教授在120微米极间距的条件下对CNT薄膜阴极两电极气体传感器进行了研制，研究了传感器在三种单一气体中的放电特性，由于灵敏度较低，没有构成测量浓度的气体传感器。并研究了 CNT薄膜阴极两电极传感器的温敏特性(图4)和湿敏特性(图5)， 即空气中击穿电压与温度、湿度的关系。该两电极传感器在温度为10摄氏度时击穿电压高达360伏，温度为60摄氏度时击穿电压也在150伏以上；击穿电压与湿度具有多值非线性特性，没有构成碳纳米管温度和湿度传感器。因此，目前对各类气体敏感的碳纳米管薄膜电极气体、温度和湿度传感器的研制， 成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，将碳纳米管薄膜两电极传感器的输出电流分为电子流与离子流，建立本发明三电极传感器收集极收集的离子流与气体浓度、湿度的单值对应关系，克服碳纳米管薄膜两电极传感器气敏特性及湿敏特性的多值非线性问题。该传感器结构简单，成本低，检测气体灵敏度高，适合于推广使用。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。—种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于包括三个自上而下依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。本发明进一步的结构特征在于所述三个电极中相邻两个电极的极间距为30 250 μ m。所述第一电极与第二电极极板正对面积为0. 01 17mm2，第二电极与第三电极极板正对面积为0. 01 190mm2。所述第一电极的电极表面的透气孔为1 4个，在电极内侧表面粘接的基底上附
着有碳纳米管薄膜。所述第二电极引出极中心设有1 4个引出孔。所述第三电极收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1 4个。所述绝缘支柱分布于三个电极内端面两侧。所述第一电极中设有透气孔的电极板面、第二电极和第三电极均采用硅片材料制作，第一电极中设有透气孔的电极和第三电极内侧面、第二电极的两侧面均设有金属膜。所述透气孔以及引出孔为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。所述盲孔为圆柱体、圆锥体、3 6棱柱或棱锥体。本发明还给出了一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的制备方法，该方法包括下述步骤1)分别制作三个电极的掩模板；2)用H2SO4和H2A作为清洗液，清洗用作三个电极的硅片，清洗后的硅片于150 250°C干燥 5 IOmin ；3)分别在清洗处理后的硅片上，通过磁控溅射200nm的Al掩模；4)分别在溅射Al掩模的硅片上进行图形化光刻首先采用静态涂胶法将正性光刻胶涂抹在溅射有Al掩膜的硅片上，然后于85 120°C干燥60s ；将三个电极的掩膜板与光刻胶层对准接触，进行紫外曝光；用标准当量浓度为0.沈的四甲基氢氧化铵TMAH溶液在 15 25°C显影30s ；最后在100 130°C烘烤1 2min，即可得到三个电极的光刻图形；5)采用湿法腐蚀法，刻蚀步骤4)中光刻图形下的Al掩膜，于50°C 60°C腐蚀 15s ；并用丙酮清除硅片上剩余的光刻胶；6)采用ICP干法刻蚀获得三个电极上的图形；分别控制六氟化硫、八氟环丁烷的进气流量180SCCm和85SCCm，控制线圈功率、平板功率分别为600W和22W ；进行刻蚀三个电极中的透气孔及引出孔和盲孔；7)湿法腐蚀去除剩余Al掩模，方法同步骤5)，即得到三个电极；
8)清洗、干燥已经图形化的三个电极硅片；在三个电极上分别依次溅射钛、镍、金
三层金属膜，并制作金焊盘；9)将溅射金属膜的三个电极快速退火30 80s，退火温度为400 500°C ；10)在退火后的电极硅片的金属膜上再溅射一层金膜；11)在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧， 用丝网印刷绝缘浆料制作电极间的绝缘条，在280 300°C保温0. 5 Ih ；或者采用聚合物共混技术制作电极间的绝缘条，将聚乙烯与碳黑按照100 40的质量比混合，在温度为 100 120°C、压力为9 IOMPa高温固化5 7min，将制作好的绝缘条用绝缘胶粘接在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧；12)在第一电极的基底上生长碳纳米管薄膜，或者采用丝网印刷工艺在基底上印刷碳纳米管薄膜，然后将分布有碳纳米管薄膜的基底用导电胶粘接在第一电极的内侧表面上；13)将三个电极用绝缘胶粘合在一起；键合金丝作为电极引出线；14)将粘接好的三个电极粘接在外壳底座上，于140 150°C固化池，封装即得传感器。所述步骤2)中，清洗液按照重量比为H2SO4 H2O2 = 4 1比例配制。所述步骤5)中，腐蚀溶液按照重量比为硝酸醋酸磷酸水=2 10 50 9 比例配制。所述步骤8)中，在真空度为2.5\10-节 30 401下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为7min、50min和13min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm 禾口 125nm。本发明通过三个电极相互叠加构成能够检测气体、温度和湿度的传感器，在三个电极上施加不同的电压，控制电子流与离子流有效分离，获得与气体浓度、气体温度、湿度有单值关系的离子流的输出(图8、图9、图10所示)，构造成功三种新型微纳米碳纳米管薄膜三电极气体浓度、气体温度和湿度传感器。该新型传感器与已有的离子化探测器色谱仪中使用的三电极探测器相比，由于采用碳纳米管薄膜做电极，碳纳米管纳米级的尖端曲率半径将探测器工作电压，从离子化探测器的600伏高压降至200伏以下的安全实用范围。本发明的新型传感器采用微机械加工工艺实现，尺寸�。峁辜虻ィ恍枰蜕滓窍嘟岷希� 可以单独构成三种新型气体浓度、气体温度和湿度传感器。
图1是现有技术碳纳米管薄膜阴极两电极传感器结构示意图。图2是现有技术碳纳米管薄膜两电极气体传感器的击穿电压与气体浓度的多值非线性气敏特性。图3是现有技术碳纳米管薄膜两电极气体传感器的击穿电流与气体浓度的多值非线性气敏特性。图4是现有技术碳纳米管薄膜两电极温度传感器的击穿电压与温度的关系。图5是现有技术碳纳米管薄膜两电极湿度传感器的多值非线性湿度敏感特性。图6是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器结构示意图。
图7是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器立体结构侧视图。图8是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的气体放电离子流与气体浓度的单值关系示意图。图9是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的气体放电离子流与空气温度的单值关系示意图。图10是本发明微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的气体放电离子流与湿度的单值关系示意图。图中1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、设有透气孔的电极；5、碳纳米管薄膜基底；6、碳纳米管薄膜；7、绝缘支柱。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。实施例1如图6、图7所示，该微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，包括由三个依次自上而下相互叠加的电极构成，该三个相互叠加电极分别设有第一电极1、第二电极2和第三电极 3，所述第一电极1由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜6的基底5以及设有透气孔的电极 4构成；第二电极2由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极3由电极板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱7相互隔离。三个电极中相邻两个电极的极间距均为100 μ m ；第一电极1与第二电极2极板正对面积为10mm2，第二电极2与第三电极 3极板正对面积为100mm2。图6所示的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器实施例中，第一电极1的电极表面的透气孔有2个，透气孔为圆形；在该透气孔的一侧表面粘接有碳纳米管薄膜基底5，其上分布有碳纳米管薄膜6，且该碳纳米管管口向下。第二电极2中心设有1 4个引出孔，图 6、图7中给出了设置一个引出孔、且引出孔为圆形的实施例。第三电极3收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1 4个，图6、图7中给出了设置一个盲孔、且盲孔为圆柱体结构的实施例。绝缘支柱7分别设置在碳纳米管薄膜基底5与第二电极2之间、 第二电极2与第三电极3之间，即绝缘支柱7分布于第二电极2正对第一电极1的碳纳米管薄膜基底两端的表面两侧及第三电极3的内侧表面的两侧。本发明设有透气孔的电极4板面、碳纳米管薄膜基底5均采用硅片材料制作；所述碳纳米管薄膜6，可采用酞菁铁做为催化剂，并采用碳源，在基底5上生长制作碳纳米管薄膜6，或者丝网印刷碳纳米管薄膜6。第二电极2和第三电极3均采用硅片制作。第一电极中设有透气孔的电极4和第三电极3内侧面、第二电极2的两侧面均设有金属膜。本发明第一电极1中的电极上若干透气孔，便于待检测气体进入电极间隙；碳纳米管薄膜的硅片基底具有导电能力，并牢固粘接在第一电极一侧表面；第二电极2上引出引出孔；第三电极3收集极可收集气体电离产生的正离子流。第一电极1与第二电极3之间、第二电极2与第三电极3之间通过绝缘支柱7相互隔离；被测气体通过传感器周边电极间的间隙进入传感器相邻两个电极的间隙中。本发明的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，通过控制加在第一电极1和第二电极2上的电压，可使第一电极1和第二电极2之间的气体产生放电；通过控制加在第二电极2及第三电极3上的电压，可将第一电极1与第二电极2间产生的电子与离子分离开。电子形成的电子流由第二电极2流回第一电极1，离子形成的离子流由第三电极3引出，流回第一电极1。本发明的三电极结构传感器，通过第三电极3引出离子流，可大大减小第一电极 1与第二电极2间气体放电的不稳定因素，获得与浓度具有单值关系的离子流(图8所示) 以及分别与气体温度、湿度具有单值关系的离子流(图9、图10所示)。本发明控制第二电极2电位高于第一电极1，第三电极3电位低于第二电极2并高于第一电极1。控制第二电极2与第一电极1形成电子流回路，控制第三电极3与第一电极 1形成离子流回路，实现将电子流与离子流分离。第一电极1在外加电压作用下，在碳纳米管薄膜的碳纳米管尖端附近产生很强的电�。沟谝坏缂�1与第二电极2之间的间隙中的被测气体在较低电压下电离。第一电极1与第二电极2间的带电正离子，在第二电极2与第三电极3极间电场的作用下，向第三电极3运动形成正离子电流。微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器输出的离子流与气体浓度、气体温度、湿度之间，在第二电极2施加一定电压的基础上，呈现单值关系(图8、图9、图10所示)，可构成可实用的气体、气体温度、湿度传感器。非自持放电电压、非自持放电暗电流与传感器电极极间距是微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的特征参量。本实施例制作微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的方法包括下述步骤1)分别制作三个电极的掩模板；2)用H2SO4和H2A作为清洗液，清洗用作三个电极的硅片，清洗后的硅片于150°C 干燥IOmin ；其中，清洗液按照重量比为H2SO4 H2O2 = 4 1比例配制;3)分别在清洗处理后的硅片上，通过磁控溅射200nm的Al掩模；4)分别在溅射Al掩模的硅片上进行图形化光刻首先采用静态涂胶法将正性光刻胶涂抹在溅射有Al掩膜的硅片上，然后于85°C干燥60s ；将三个电极的掩膜板与光刻胶层对准接触，进行紫外曝光；用标准当量浓度为0. 26的四甲基氢氧化铵TMAH溶液在15°C 显影30s ；最后在100°C烘烤2min，即可得到三个电极的光刻图形；5)采用湿法腐蚀法，刻蚀步骤4)中光刻图形下的Al掩膜，于50°C腐蚀15s ；并用丙酮清除硅片上剩余的光刻胶；其中，腐蚀溶液按照重量比为硝酸醋酸磷酸水= 2 10 50 9比例配制；6)采用ICP干法刻蚀获得三个电极上的图形；分别控制六氟化硫、八氟环丁烷的进气流量180SCCm和85SCCm，控制线圈功率、平板功率分别为600W和22W ；进行刻蚀三个电极中的透气孔及引出孔和盲孔；7)湿法腐蚀去除剩余Al掩模，方法同步骤5)，即得到三个电极；8)清洗、干燥已经图形化的三个电极硅片；在三个电极上分别依次溅射钛、镍、金
三层金属膜，并制作金焊盘；其中，在真空度为2.5X10-3Pa，3(TC下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为7min、50min和13min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm。9)将溅射金属膜的三个电极快速退火80s，退火温度为400°C ；10)在退火后的电极硅片的金属膜上再溅射一层金膜；11)采用丝网印刷绝缘浆料制作电极间的绝缘条，在300°C保温0. 5h后绝缘条在正对第一电极端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧；
11)在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧， 用丝网印刷绝缘浆料制作电极间的绝缘条，在300°C保温0. 5h ；12)在第一电极的基底上生长碳纳米管薄膜，或者采用丝网印刷工艺在基底上印刷碳纳米管薄膜，然后将分布有碳纳米管薄膜的基底用导电胶粘接在第一电极的内侧表面上；13)将三个电极用绝缘胶粘合在一起；键合金丝作为电极引出线；14)将粘接好的三个电极粘接在外壳底座上，于140°C固化池，封装即得传感器。实施例2本实施例基本结构同实施例1，所不同的是微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的三个电极中相邻两个电极的极间距均为30 μ m ；第一电极1与第二电极2极板正对面积为0. 01mm2，第二电极2与第三电极3极板正对面积为0. 01mm2。第一电极1的电极表面的透气孔有1个，透气孔为三角形；第二电极2中心引出孔为4个，引出孔为三角形；第三电极3盲孔的数量为4个，盲孔为圆锥体。本实施例制作微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的方法包括下述步骤1)分别制作三个电极的掩模板；2)用H2SO4和H2A作为清洗液，清洗用作三个电极的硅片，清洗后的硅片于200°C 干燥8min;其中，清洗液按照重量比为H2SO4 H2O2 = 4 1比例配制;3)分别在清洗处理后的硅片上，通过磁控溅射200nm的Al掩模；4)分别在溅射Al掩模的硅片上进行图形化光刻首先采用静态涂胶法将正性光刻胶涂抹在溅射有Al掩膜的硅片上，然后于100°C干燥60s ；将三个电极的掩膜板与光刻胶层对准接触，进行紫外曝光；用标准当量浓度为0. 26的四甲基氢氧化铵TMAH溶液在20°C 显影30s ；最后在120°C烘烤1. 5min,即可得到三个电极的光刻图形；5)采用湿法腐蚀法，刻蚀步骤4)中光刻图形下的Al掩膜，于55°C腐蚀15s ；并用丙酮清除硅片上剩余的光刻胶；其中，腐蚀溶液按照重量比为硝酸醋酸磷酸水= 2 10 50 9比例配制；6)采用ICP干法刻蚀获得三个电极上的图形；分别控制六氟化硫、八氟环丁烷的进气流量180SCCm和85SCCm，控制线圈功率、平板功率分别为600W和22W ；进行刻蚀三个电极中的透气孔及引出孔和盲孔；7)湿法腐蚀去除剩余Al掩模，方法同步骤5)，即得到三个电极；8)清洗、干燥已经图形化的三个电极硅片；在三个电极上分别依次溅射钛、镍、金
三层金属膜，并制作金焊盘；其中，在真空度为2. 5X 10-3Pa，4(TC下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为7min、50min和13min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm。9)将溅射金属膜的三个电极快速退火50s，退火温度为450°C ；10)在退火后的电极硅片的金属膜上再溅射一层金膜；11)采用聚合物共混技术制作电极间的绝缘条，将聚乙烯与碳黑按照100 40的质量比混合，在温度为110°c、压力为9. 6ΜΙ^固化6min (或在温度为100°C、压力为9ΜΙ^固化7min ；或在温度为120°C、压力为IOMPa固化5min)，将制作好的绝缘条用绝缘胶粘接在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧；
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12)在第一电极的基底上采用丝网印刷工艺印刷碳纳米管薄膜，然后将印刷有碳纳米管薄膜的硅片基底用导电胶居中粘接在第一电极的内侧表面；13)将三个电极用绝缘胶粘合在一起；键合金丝作为电极引出线；14)将粘接好的三个电极粘接在外壳底座上，于145°C固化池，封装即得传感器。实施例3本实施例基本结构同实施例1，所不同的是微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的三个电极中相邻两个电极的极间距均为250 μ m，第一电极1与第二电极2极板正对面积为17mm2，第二电极2与第三电极3极板正对面积为190mm2。第一电极1的电极表面的透气孔有4个，透气孔为四边形、五边形或六边形；第二电极2中心引出孔为2个，引出孔为四边形、五边形或六边形；第三电极3盲孔的数量为2 个，盲孔为3 6棱柱或棱锥体。本实施例制作微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的方法包括下述步骤1)分别制作三个电极的掩模板；2)用H2SO4和H2A作为清洗液，清洗用作三个电极的硅片，清洗后的硅片于250°C 干燥5min;其中，清洗液按照重量比为H2SO4 H2O2 = 4 1比例配制;3)分别在清洗处理后的硅片上，通过磁控溅射200nm的Al掩模；4)分别在溅射Al掩模的硅片上进行图形化光刻首先采用静态涂胶法将正性光刻胶涂抹在溅射有Al掩膜的硅片上，然后于120°C干燥60s ；将三个电极的掩膜板与光刻胶层对准接触，进行紫外曝光；用标准当量浓度为0. 26的四甲基氢氧化铵TMAH溶液在25°C 显影30s ；最后在130°C烘烤lmin，即可得到三个电极的光刻图形；5)采用湿法腐蚀法，刻蚀步骤4)中光刻图形下的Al掩膜，于60°C腐蚀15s ；并用丙酮清除硅片上剩余的光刻胶；其中，腐蚀溶液按照重量比为硝酸醋酸磷酸水= 2 10 50 9比例配制；6)采用ICP干法刻蚀获得三个电极上的图形；分别控制六氟化硫、八氟环丁烷的进气流量180SCCm和85SCCm，控制线圈功率、平板功率分别为600W和22W ；进行刻蚀三个电极中的透气孔及引出孔和盲孔；7)湿法腐蚀去除剩余Al掩模，方法同步骤5)，即得到三个电极；8)清洗、干燥已经图形化的三个电极硅片；在三个电极上分别依次溅射钛、镍、金
三层金属膜，并制作金焊盘；其中，在真空度为2.5X10_3Pa，3(TC下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为7min、50min和13min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm和125nm。9)将溅射金属膜的三个电极快速退火30s，退火温度为500°C ；10)在退火后的电极硅片的金属膜上再溅射一层金膜；11)在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧， 用丝网印刷绝缘浆料制作电极间的绝缘条，在^(TC保温Ih ；12)在第一电极的基底上采用丝网印刷工艺印刷碳纳米管薄膜，再将印刷有碳纳米管薄膜的硅片基底用导电胶居中粘接在第一电极的内侧表面；13)将三个电极用绝缘胶粘合在一起；键合金丝作为电极引出线；14)将粘接好的三个电极粘接在外壳底座上，于150°C固化池，封装即得传感器。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但上述实施例并不用于限定本发明。在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和结构范围的情况下，对技术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于包括三个自上而下依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。
2.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于所述三个电极中相邻两个电极的极间距为30 250 μ m ；所述第一电极与第二电极极板正对面积为 0. 01 17mm2，第二电极与第三电极极板正对面积为0. 01 190mm2。
3.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于所述第一电极的电极表面的透气孔为1 4个，在电极内侧表面粘接的基底上附着有碳纳米管薄膜；所述第二电极引出极中心设有1 4个引出孔；所述第三电极收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1 4个。
4.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于所述绝缘支柱分布于三个电极内端面两侧。
5.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于所述第一电极中设有透气孔的电极板面、第二电极和第三电极均采用硅片材料制作，第一电极中设有透气孔的电极和第三电极内侧面、第二电极的两侧面均设有金属膜。
6.根据权利要求1所述的微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器，其特征在于所述透气孔以及引出孔为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形；所述盲孔为圆柱体、圆锥体、3 6 棱柱或棱锥体。
7.一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的制备方法，其特征在于该方法包括下述步骤1)分别制作三个电极的掩模板；2)用吐304和H2O2作为清洗液，清洗用作三个电极的硅片，清洗后的硅片于150 250°C 干燥5 IOmin ；3)分别在清洗处理后的硅片上，通过磁控溅射200nm的Al掩模；4)分别在溅射Al掩模的硅片上进行图形化光刻首先采用静态涂胶法将正性光刻胶涂抹在溅射有Al掩膜的硅片上，然后于85 120°C干燥60s;将三个电极的掩膜板与光刻胶层对准接触，进行紫外曝光；用标准当量浓度为0. 26的四甲基氢氧化铵TMAH溶液在 15 25°C显影30s ；最后在100 130°C烘烤1 2min，即可得到三个电极的光刻图形；5)采用湿法腐蚀法，刻蚀步骤4)中光刻图形下的Al掩膜，于50°C 60°C腐蚀15s；并用丙酮清除硅片上剩余的光刻胶；6)采用ICP干法刻蚀获得三个电极上的图形；分别控制六氟化硫、八氟环丁烷的进气流量180SCCm和85SCCm，控制线圈功率、平板功率分别为600W和22W ；进行刻蚀三个电极中的透气孔及引出孔和盲孔；7)湿法腐蚀去除剩余Al掩模，方法同步骤幻，即得到三个电极；8)清洗、干燥已经图形化的三个电极硅片；在三个电极上分别依次溅射钛、镍、金三层金属膜，并制作金焊盘；9)将溅射金属膜的三个电极快速退火30 80s，退火温度为400 500°C；10)在退火后的电极硅片的金属膜上再溅射一层金膜；11)在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧，用丝网印刷绝缘浆料制作电极间的绝缘条，在280 300°C保温0. 5 Ih ；或者采用聚合物共混技术制作电极间的绝缘条，将聚乙烯与碳黑按照100 40的质量比混合，在温度为100 120°C、压力为9 IOMPa高温固化5 7min，将制作好的绝缘条用绝缘胶粘接在正对碳纳米管薄膜端面的第二电极内端面两侧，及第三电极的内端面两侧；12)在第一电极的基底上生长碳纳米管薄膜，或者采用丝网印刷工艺在基底上印刷碳纳米管薄膜，然后将分布有碳纳米管薄膜的基底用导电胶粘接在第一电极的内侧表面上；13)将三个电极用绝缘胶粘合在一起；键合金丝作为电极引出线；14)将粘接好的三个电极粘接在外壳底座上，于140 150°C固化池，封装即得传感器。
8.根据权利要求7所述的一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的制备方法，其特征在于所述步骤2)中，清洗液按照重量比为H2SO4 H2O2 = 4 1比例配制。
9.根据权利要求7所述的一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的制备方法，其特征在于所述步骤幻中，腐蚀溶液按照重量比为硝酸醋酸磷酸水=2 10 50 9 比例配制。
10.根据权利要求7所述的一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器的制备方法，其特征在于所述步骤8)中，在真空度为2. 5 X 10 , 30 40°C下分别在三个基片上依次溅射钛膜、镍膜和金膜，溅射时间分别为7min、50min和13min，三层薄膜厚度分别为50nm、400nm 禾口 125nm。
全文摘要
本发明公开了一种微纳米碳纳米管薄膜三电极传感器及其制备方法，传感器包括三个自上而下依次分布的第一、第二和第三电极，第一电极设有透气孔，其内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底；第二电极由中心设引出孔的引出极构成；第三电极由板面设盲孔的收集极构成；三个电极通过绝缘支柱隔离。方法包括制作三个电极的掩模板、清洗硅片，溅射金属掩模；刻蚀金属掩�：屯夹�、去除掩模、清洗硅片；溅射多层金属膜，制作金焊盘；丝网印刷绝缘浆料或粘接聚合物绝缘条；在第一电极的基底上生长或丝网印刷碳纳米管薄膜，再将基底粘接在第一电极内侧表面；将三电极粘合，键合电极引线，封装传感器。该传感器检测气体线性度好，准确度高，适合于推广使用。
文档编号G01N27/70GK102175757SQ20111004071
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者刘君华, 唐建文, 姜为华, 宋晓平, 宋晓慧, 张勇, 张建业, 张晶园, 方静, 李昕, 李盛涛, 王影花, 王进 申请人:西安交通大学
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