一種pH指示與自校準的梳狀納米傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種pH指示與自校準的梳狀納米傳感器及其制備方法，通過采用一系列的MEMS加工工藝，實現(xiàn)多傳感器的集成，用于多參數(shù)的同時檢測，提高傳感器的應(yīng)用范圍。納米傳感器上集成的場效應(yīng)光電傳感器，用于pH的檢測，為納米傳感器的重金屬檢測提供pH值的指示，保證納米傳感器在適當(dāng)?shù)膒H范圍內(nèi)進行電化學(xué)分析，提高傳感器的檢測效率。此外，通過研究pH對重金屬檢測的影響，引入納米傳感器檢測數(shù)據(jù)的自校準模型，有效提高傳感器的準確度與抗干擾能力，有利于提高傳感器的性能。該傳感器可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)等各項領(lǐng)域，實現(xiàn)重金屬元素快速、高效地檢測。
【專利說明】一種pH指示與自校準的梳狀納米傳感器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學(xué)傳感器與光電傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種PH指示與自校準的梳狀納米傳感器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]重金屬元素廣泛存在于人類的生產(chǎn)活動中，通過工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)、城市生活垃圾等方式進入環(huán)境中。由于重金屬元素的高毒性、不易代謝、生物富集等特性，對生態(tài)環(huán)境與人類健康具有非常大的危害。此外，由于化石能源使用、火力發(fā)電、汽車尾氣等產(chǎn)生大量酸性氣體，局部地區(qū)產(chǎn)生的酸雨對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生很大的影響。重金屬與pH的檢測具有很大的社會意義。
[0003]常用的重金屬檢測方法以原子吸收光譜法(Atomic absorpt1n spectroscopy,AAS)和電感稱合等離子體質(zhì)譜法(Inductively-coupled plasma mass spectroscopy,ICP-MS)為主。這兩種方法通常在實驗室使用，具有設(shè)備體積大、操作與前處理步驟復(fù)雜、檢測時間長、無法同時檢測多種重金屬等缺點，無法應(yīng)用于水質(zhì)的現(xiàn)場檢測。電化學(xué)方法可以同時檢測多種重金屬元素，操作簡單，，并具有很高的靈敏度及低檢出限，可搭建小型或微型化儀器用于現(xiàn)場的檢測。納米傳感器為電化學(xué)檢測中工作電極的一種，其特點為其三維尺寸中的某一維為納米級別，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)特性。納米傳感器相比傳統(tǒng)的大電極，具有傳質(zhì)速率高、電流密度大、時間常數(shù)小、信噪比高、iR降低等優(yōu)良的特性，成為檢測水環(huán)境重金屬的便捷工具。
[0004]另一方面，樣品的酸性環(huán)境對電化學(xué)中重金屬的檢測具有重要影響，主要通過以下三個途徑:溶液中的析氫反應(yīng)、重金屬離子的水解及工作電極靈敏度的變化。因此，在電化學(xué)方法檢測重金屬之前進行PH的測定，是非常有必要的。pH檢測的引入，可以有效地為電化學(xué)的檢測提供指示作用。目前環(huán)境中PH的檢測已經(jīng)有非常成熟的手段，從最為便捷的PH試紙到pH計，市場上已有大量的商用產(chǎn)品。本發(fā)明中使用的場效應(yīng)光電傳感器，通過激發(fā)光源照射在傳感器表面，在施加外在偏壓的情況下產(chǎn)生光生電流。光生電流的偏移與待測物質(zhì)的濃度線性相關(guān)，通過該方式進行定量分析。該光電傳感器用于PH檢測具有良好的靈敏度、線性度、穩(wěn)定性和重復(fù)性，已廣泛應(yīng)用于生物與細胞生長的酸性環(huán)境監(jiān)測。
[0005]現(xiàn)有的傳感器技術(shù)中，傳感器多采用單一的傳感器結(jié)構(gòu)，檢測參數(shù)單一。多傳感器的集成可實現(xiàn)多種參數(shù)的同時檢測，擴大其應(yīng)用范圍，并且多傳感器的檢測數(shù)據(jù)可提供有效的檢測指導(dǎo)或數(shù)據(jù)融合，提高傳感器的檢測性能和檢測效率。本發(fā)明提出了一種PH指示與自校準的梳狀納米傳感器，納米傳感器由多根納米電極梳狀排列于硅基底表面，組成納米電極陣列，其橫截面端作為工作電極面，通過多陣列集成提高其信號強度。此外，梳狀納米傳感器上集成有一個場效應(yīng)光電傳感器，為梳狀納米傳感器重金屬的檢測提供PH指示。由于重金屬檢測電流與PH的變化存在相關(guān)性，通過建立相應(yīng)的變化模型，為重金屬的檢測提供校準，提高傳感器的檢測性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種pH指示與自校準的梳狀納米傳感器及其制備方法。本發(fā)明通過多傳感器的集成與加工技術(shù)，形成梳狀納米傳感器，旨在提高微納電極的電流響應(yīng)強度，并集成一個場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域用于PH檢測，為梳狀納米傳感器提供PH指示，建立相應(yīng)的自校準模型，以提高傳感器用于重金屬的檢測性能。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種pH指示與自校準的梳狀納米傳感器，包括娃片基底，在娃片基底的后端，設(shè)有一矩形的場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域?qū)?yīng)的娃片基底的背面開有一圓形槽，記為減薄區(qū)域；在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域除減薄區(qū)域外的硅片基底的背面沉積鋁層；在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域?qū)?yīng)的硅片基底的上表面從下至上覆蓋第三絕緣層和敏感膜層；在硅片基底的上表面除場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域外從下到上依次覆蓋第一絕緣層、電極層和第二絕緣層；所述第二絕緣層從下至上由二氧化硅層和氮化硅層組成；所述電極層從下至上由粘附層和工作電極層組成；電極層包括梳狀電極陣列和U形結(jié)構(gòu)兩部分；所述U形結(jié)構(gòu)包圍場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域；在u形結(jié)構(gòu)的尾端，去除該區(qū)域上的第二絕緣層，設(shè)置焊點；通過U形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)焊點與梳狀電極陣列的連接。
[0008]進一步地，所述第三絕緣層為二氧化硅層，厚度為2(T60nm，所述敏感膜層為采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝加工的氮化硅層，厚度為2(T40nm ;所述第一絕緣層為二氧化娃，厚度為20(T600nm ;所述二氧化娃層和氮化娃層厚度均為20(T600nm ;所述粘附層材料為鉻或鈦，厚度為2(T50nm;所述工作電極層材料為金或鉬，厚度為10(T300nm。
[0009]一種上述pH指示與自校準的梳狀納米傳感器的制備方法，包括以下步驟:
(1)首先加工場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域:選用450μ m厚度的4英寸單晶硅片作為硅片基底，電阻率為1Qcm ;經(jīng)過RCA標準清洗工藝清洗并烘干；硅片基底后部設(shè)有一場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，使用光刻膠保護硅片基底背面場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域以外的其他部分，使用娃刻蝕工藝在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域刻蝕直徑為4mnT8_的圓形孔,形成厚度100 μ m的減薄區(qū)域；
(2)移除光刻膠，采用熱生長工藝在硅片基底表面生長一層厚度為2(T60nm的二氧化硅層，為第三絕緣層，此時硅片基底的背面也存在一層二氧化硅層；沉積厚度為20nnT40nm的敏感膜層，敏感膜層為采用等離子體化學(xué)氣相沉積的氮化硅敏感層；
(3)使用光刻膠保護場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，雙面刻蝕第三絕緣層和敏感膜層，僅保留場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域的第三絕緣層及敏感膜層；隨后去除保護的光刻膠；
(4)使用熱氧化工藝雙面熱生長20(T600nm厚度的二氧化硅層，為第一絕緣層，此時硅片基底的背面也存在二氧化硅層；分別濺射2(T50nm厚度的粘附層和10(T300nm的工作電極層；
(5)使用光刻板刻蝕納米傳感器的梳狀電極陣列及U形結(jié)構(gòu)的圖形；去除光刻膠；采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝分別沉積20(T600nm厚度的二氧化硅層與氮化硅層，形成第二絕緣層；
(6)使用光刻板刻蝕多余的絕緣層區(qū)域，暴露梳狀納米傳感器的焊點區(qū)域及場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域；去除光刻膠；
(7)刻蝕背面的20(T600nm的二氧化硅層，使用光刻膠保護硅片其他區(qū)域，在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域背部使用熱蒸發(fā)工藝形成20(T400nm厚度的鋁層；去除光刻膠并使用Lift-off工藝剝離其他區(qū)域多余的鋁，僅保留場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域背部除減薄區(qū)域以外的部分，用于歐姆接觸，形成光生電流。
[0010]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提出了一種PH指示與自校準的梳狀納米傳感器及其制備方法。通過采用一系列的MEMS加工工藝，實現(xiàn)多傳感器的集成，用于多參數(shù)的同時檢測，提高傳感器的應(yīng)用范圍。納米傳感器上集成的場效應(yīng)光電傳感器，用于PH的檢測，為納米傳感器的重金屬檢測提供PH值的指示，保證納米傳感器在適當(dāng)?shù)膒H范圍內(nèi)進行電化學(xué)分析，提高傳感器的檢測效率。此外，通過研究PH對重金屬檢測的影響，引入納米傳感器檢測數(shù)據(jù)的自校準模型，有效提高傳感器的準確度與抗干擾能力，有利于提高傳感器的性能。該傳感器可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)等各項領(lǐng)域，實現(xiàn)重金屬元素快速、高效地檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明梳狀納米傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明梳狀納米傳感器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是本發(fā)明梳狀納米傳感器封裝于印刷電路板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是本發(fā)明梳狀納米傳感器的光學(xué)顯微鏡與電子掃描顯微鏡下的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5是本發(fā)明梳狀納米傳感器用于Pb2+和Cu2+檢測的伏安響應(yīng)曲線。
[0016]圖6是本發(fā)明梳狀納米傳感器用于Pb2+和Cu2+檢測的標準曲線。
[0017]圖7是本發(fā)明中場效應(yīng)光電傳感器用于pH檢測的響應(yīng)曲線。
[0018]圖8是本發(fā)明中場效應(yīng)光電傳感器用于pH檢測的標準曲線。
[0019]圖中:梳狀納米傳感器1、場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2、敏感膜層3、硅片基底4、第一絕緣層5、電極層6、第二絕緣層7、焊點8、梳狀電極陣列9、U形結(jié)構(gòu)10、減薄區(qū)域11、鋁層12、第三絕緣層13、二氧化硅層14、氮化硅層15、粘附層16、工作電極層17、印刷電路板基底18、第二焊點19、圓孔區(qū)域20、第一焊點21、第三焊點22、第三焊盤23、第一焊盤24、第二焊盤25、引線26。

【具體實施方式】
[0020]下面詳細介紹所使用的pH指示與自校準梳狀納米傳感器用于重金屬檢測與pH檢測的工作原理。
[0021]納米傳感器用于重金屬的檢測采用電化學(xué)方法，針對不對的重金屬元素具體采用不同的電化學(xué)方法，如陽極溶出伏安法、差分脈沖伏安法、循環(huán)伏安法等，其基本原理為通過恒電位儀在納米傳感器施加電壓，由于不同重金屬元素具有特異性的氧化電位或還原電位，在工作電極表面發(fā)生相應(yīng)的氧化或還原反應(yīng)。工作電極記錄電極表面產(chǎn)生的氧化或還原電流，該電流與待測重金屬的濃度呈線性關(guān)系，作為重金屬元素的定量分析依據(jù)。
[0022]場效應(yīng)光電傳感器利用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，即當(dāng)半導(dǎo)體受到一定波長的光照射時，半導(dǎo)體吸收光子產(chǎn)生禁帶到導(dǎo)帶的躍遷，從而形成電子空穴對。在傳感器上施加偏置電壓時，電子空穴對的移動即形成光電流。光電流的大小與傳感器兩端電勢差的大小相關(guān)，其頻率等于照射光強變化的頻率。傳感器表面的敏感膜通過與樣品中的待測離子特異性結(jié)合，產(chǎn)生膜電位，使光生電流產(chǎn)生不同程度的偏移。光生電流的偏移大小與樣品中的離子濃度的關(guān)系符合能斯特方程，因此可用于定量計算待測離子的濃度。
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0024]本發(fā)明的梳狀納米傳感器的詳細結(jié)構(gòu)將結(jié)合圖1、圖2進行詳細說明。圖1是本發(fā)明梳狀納米傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1沿AB切線的橫截面圖。
[0025]本發(fā)明梳狀納米傳感器I包括娃片基底4,在娃片基底4的后端，設(shè)有一矩形的場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2,在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2對應(yīng)的娃片基底4的背面開有一圓形槽，記為減薄區(qū)域11，減薄區(qū)域11用于安裝調(diào)制光源，直徑通常為4mnT8mm，場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2大于減薄區(qū)域11即可；在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2除減薄區(qū)域11外的硅片基底4的背面沉積鋁層12，用于歐姆接接觸，實現(xiàn)場效應(yīng)光電傳感器上信號的輸入與輸出；在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2對應(yīng)的硅片基底4的上表面從下至上覆蓋第三絕緣層13和敏感膜層3 ;所述第三絕緣層13為二氧化硅層，厚度為2(T60nm ;所述敏感膜層3為采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝加工的氮化硅層，厚度為2(T40nm，實現(xiàn)對H+的特異性敏感；在硅片基底4的上表面除場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2外從下到上依次覆蓋第一絕緣層5、電極層6和第二絕緣層7 ;所述第一絕緣層5為二氧化硅，厚度為20(T600nm ;所述第二絕緣層7從下至上由二氧化娃層14和氮化娃層15組成,所述二氧化娃層14和氮化娃層15厚度均為200?600nm ；所述電極層6從下至上由粘附層16和工作電極層17組成；所述粘附層16材料為鉻或鈦，厚度為2(T50nm ;所述工作電極層17材料為金或鉬，厚度為10(T300nm ;電極層6包括梳狀電極陣列9和U形結(jié)構(gòu)10兩部分；梳狀電極陣列9的橫截面實現(xiàn)重金屬的檢測；所述U形結(jié)構(gòu)10包圍場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2 ;在U形結(jié)構(gòu)10的尾端，去除該區(qū)域上的第二絕緣層7，設(shè)置焊點8 ;通過U形結(jié)構(gòu)10實現(xiàn)焊點8與梳狀電極陣列9的連接，即可在焊點8上實現(xiàn)對梳狀電極陣列9信號的輸入與輸出。
[0026]下面結(jié)合圖2，對本發(fā)明梳狀納米傳感器的制備方法進行詳細的說明:
(1)首先加工場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域:選用450μ m厚度的4英寸單晶硅片作為硅片基底，電阻率為1Qcm ;經(jīng)過RCA標準清洗工藝清洗并烘干；硅片基底后部設(shè)有一場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，使用光刻膠保護硅片基底背面場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域以外的其他部分，使用娃刻蝕工藝在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域刻蝕直徑為4mnT8_的圓形孔,形成厚度100 μ m的減薄區(qū)域；
(2)移除光刻膠，采用熱生長工藝在硅片基底表面生長一層厚度為2(T60nm的二氧化硅層，為第三絕緣層，此時硅片基底的背面也存在一層二氧化硅層；沉積厚度為20nnT40nm的敏感膜層，敏感膜層為采用等離子體化學(xué)氣相沉積的氮化硅敏感層；
(3)使用光刻膠保護場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，雙面刻蝕第三絕緣層和敏感膜層，僅保留場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域的第三絕緣層及敏感膜層；隨后去除保護的光刻膠；
(4)使用熱氧化工藝雙面熱生長20(T600nm厚度的二氧化硅層，為第一絕緣層，此時硅片基底的背面也存在二氧化硅層；分別濺射2(T50nm厚度的粘附層和10(T300nm的工作電極層；
(5)使用光刻板刻蝕納米傳感器的梳狀電極陣列及U形結(jié)構(gòu)的圖形；去除光刻膠；采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝分別沉積20(T600nm厚度的二氧化硅層與氮化硅層，形成第二絕緣層； (6)使用光刻板刻蝕多余的絕緣層區(qū)域，暴露梳狀納米傳感器的焊點區(qū)域及場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域；去除光刻膠；
(7)刻蝕背面的20(T600nm的二氧化硅層，使用光刻膠保護硅片其他區(qū)域，在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域背部使用熱蒸發(fā)工藝形成20(T400nm厚度的鋁層；去除光刻膠并使用Lift-off工藝剝離其他區(qū)域多余的鋁，僅保留場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域背部除減薄區(qū)域以外的部分，用于歐姆接觸，形成光生電流。
[0027]如圖3所示，為本發(fā)明梳狀納米傳感器封裝于印刷電路板的結(jié)構(gòu)示意圖。梳狀納米傳感器I封裝于該定制的印刷電路板上，便于傳感器的信號輸入、輸出及實際使用。印刷電路板基底18上設(shè)計有多處焊盤。第一焊點21用于與梳狀納米傳感器I上的焊點8點焊連接，再通過引線26與第一焊盤24連接，用于梳狀納米傳感器I上信號的輸入與輸出，實現(xiàn)其電化學(xué)檢測。第二焊點19區(qū)域用于場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2背面的鋁層12實現(xiàn)歐姆接觸，通過引線26與第二焊盤25連接，用于場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2上的信號輸入與輸出，實現(xiàn)場效應(yīng)光電感器的PH檢測功能。圓孔區(qū)域20用于安裝場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2的調(diào)制光源，激發(fā)光可直接照射于場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2的背面。第三焊點22為調(diào)制光源的引腳焊點，通過引線26與第三焊盤23連接，以對調(diào)制光源施加調(diào)制的電壓或電流信號。第一焊盤24、第二焊盤25、第三焊盤23與外部的測量電路連接，實現(xiàn)不同目標上的信號輸入與輸出，保證集成芯片的正常工作。該印刷電路板上的所有焊盤與焊點均采用沉金工藝處理，保證其與集成芯片上焊點的良好連接。
[0028]本發(fā)明梳狀納米傳感器的表征及特性測試:
I)集成芯片的尺寸表征
梳狀納米傳感器I的整體尺寸為22.2mmX 12.5mm,由100個納米電極構(gòu)成，排列成梳狀結(jié)構(gòu)，單根工作電極長8mm,寬6 μ m,厚300nm,電極間距60 μ m。場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域2 尺寸為 10mmX 10mnin
[0029]圖4為梳狀納米傳感器I在光學(xué)顯微鏡(左)與電子掃描顯微鏡(右)下的結(jié)構(gòu)圖。由左圖可觀察到，納米電極依次整齊地排列，電極的制備與設(shè)計相符。由右圖可觀察到，電極層6 (粘附層16與工作電極層17)約為330nm，與傳感器的設(shè)計尺寸相符。第一絕緣層5約為600nm,同樣與設(shè)計吻合。
[0030]2)集成芯片的電化學(xué)特性表征
圖5為本發(fā)明梳狀納米傳感器用于Pb2+和Cu2+檢測的不同濃度伏安曲線圖。采用Milipore公司的超純水(18.2ΜΩ.cm)及分析純的0.1M的醋酸緩沖溶液。采用經(jīng)標準物質(zhì)認證的100mg/L的重金屬Pb2+和Cu2+標準溶液用于標準曲線的標定。分別對溶液進行加標，溶液中重金屬 Pb2+ 和 Cu2+ 濃度均為 20 μ g/L, 40 μ g/L, 60 μ g/L, 80 μ g/L, 100 μ g/Lo富集電位為-0.6V，富集時間120s，靜息時間15s，掃描電壓范圍-0.6V至0.1V。
[0031]圖6為本發(fā)明梳狀納米傳感器I用于Pb2+和Cu2+檢測的標準曲線圖。基于圖5已記錄的各濃度梯度的溶出伏安曲線，取其溶出曲線的峰高值為縱坐標，濃度值為橫坐標獲得其相應(yīng)的標準曲線。
[0032]圖7為本發(fā)明中場效應(yīng)光電傳感器用于pH檢測的響應(yīng)曲線。米用Milipore公司的超純水(18.2ΜΩ ^cm)及分析純的氯化鉀配制濃度為0.5M的朽1檬酸鈉溶液。采用分析純度的lmol/L的HCl和NaOH用于溶液pH值的調(diào)整。偏置電壓為1.4V，光頻為4000Hz。在不同PH條件下獲得響應(yīng)曲線后，對曲線進行歸一化處理，曲線如圖7所示。
[0033]如圖8所示，為本發(fā)明中場效應(yīng)光電傳感器用于pH檢測的標準曲線。通過計算響應(yīng)曲線的特征響應(yīng)電壓，采用響應(yīng)曲線的二階層數(shù)零點(拐點)的電壓為特征電壓，以溶液PH值為橫坐標，特征響應(yīng)電壓為縱坐標，獲得本發(fā)明系統(tǒng)用于pH檢測的標準曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種pH指不與自校準的梳狀納米傳感器,其特征在于，包括娃片基底(4),在娃片基底(4)的后端，設(shè)有一矩形的場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域(2)，在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域(2)對應(yīng)的硅片基底(4)的背面開有一圓形槽，記為減薄區(qū)域(11);在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域(2)除減薄區(qū)域(11)外的硅片基底(4)的背面沉積鋁層(12);在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域(2)對應(yīng)的硅片基底(4)的上表面從下至上覆蓋第三絕緣層(13)和敏感膜層(3);在硅片基底(4)的上表面除場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域(2)外從下到上依次覆蓋第一絕緣層(5)、電極層(6)和第二絕緣層(7);所述第二絕緣層(7)從下至上由二氧化硅層(14)和氮化硅層(15)組成；所述電極層(6)從下至上由粘附層(16)和工作電極層(17)組成；電極層(6)包括梳狀電極陣列(9)和U形結(jié)構(gòu)(10)兩部分；所述U形結(jié)構(gòu)(10)包圍場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域(2);在U形結(jié)構(gòu)(10)的尾端，去除該區(qū)域上的第二絕緣層(7)，設(shè)置焊點(8);通過U形結(jié)構(gòu)(10)實現(xiàn)焊點(8)與梳狀電極陣列(9)的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述PH指示與自校準的梳狀納米傳感器，其特征在于，所述減薄區(qū)域(11)的直徑為4mnT8mm ;所述第三絕緣層(13)為二氧化硅層，厚度為2(T60nm，所述敏感膜層(3)為采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝加工的氮化硅層，厚度為2(T40nm ;所述第一絕緣層(5)為二氧化硅，厚度為20(T600nm ;所述二氧化硅層(14)和氮化硅層(15)厚度均為20(T600nm ;所述粘附層(16)材料為鉻或鈦，厚度為2(T50nm ;所述工作電極層(17)材料為金或鉬，厚度為10(T300nm。
3.—種權(quán)利要求1所述pH指示與自校準的梳狀納米傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)首先加工場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域:選用450μ m厚度的4英寸單晶硅片作為硅片基底，電阻率為1Qcm ;經(jīng)過RCA標準清洗工藝清洗并烘干；硅片基底后部設(shè)有一場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，使用光刻膠保護硅片基底背面場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域以外的其他部分，使用娃刻蝕工藝在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域刻蝕直徑為4mnT8_的圓形孔,形成厚度100 μ m的減薄區(qū)域； (2)移除光刻膠，采用熱生長工藝在硅片基底表面生長一層厚度為2(T60nm的二氧化硅層，為第三絕緣層，此時硅片基底的背面也存在一層二氧化硅層；沉積厚度為20nnT40nm的敏感膜層，敏感膜層為采用等離子體化學(xué)氣相沉積的氮化硅敏感層； (3)使用光刻膠保護場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域，雙面刻蝕第三絕緣層和敏感膜層，僅保留場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域的第三絕緣層及敏感膜層；隨后去除保護的光刻膠； (4)使用熱氧化工藝雙面熱生長20(T600nm厚度的二氧化硅層，為第一絕緣層，此時硅片基底的背面也存在二氧化硅層；分別濺射2(T50nm厚度的粘附層和10(T300nm的工作電極層； (5)使用光刻板刻蝕納米傳感器的梳狀電極陣列及U形結(jié)構(gòu)的圖形；去除光刻膠；采用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝分別沉積20(T600nm厚度的二氧化硅層與氮化硅層，形成第二絕緣層； (6)使用光刻板刻蝕多余的絕緣層區(qū)域，暴露梳狀納米傳感器的焊點區(qū)域及場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域；去除光刻膠； (7)刻蝕背面的20(T600nm的二氧化硅層，使用光刻膠保護硅片其他區(qū)域，在場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域背部使用熱蒸發(fā)工藝形成20(T400nm厚度的鋁層；去除光刻膠并使用Lift-off工藝剝離其他區(qū)域多余的鋁，僅保留場效應(yīng)光電傳感器區(qū)域背部除減薄區(qū)域以外的部分，用于歐姆接觸，形成光生電流。
【文檔編號】G01N27/27GK104458848SQ201410737575
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】王平, 萬浩, 孫啟永, 李海波, 孫斐, 屠佳偉 申請人:浙江大學(xué)