基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法技术

本发明专利技术提供基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法，制备包括：提供衬底，制备凹槽结构；制备若干个微柱结构，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；制备微流控端口，与所述凹槽结构相连通；及提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。本发明专利技术通过在凹槽结构形成的腔体内设计嵌套设置的微柱结构阵列，可以获得大的表面积，并使得流场均匀分布，且延长气体流路路径，进而提高吸附材料的均匀性，提高吸附气体的富集率，另外，通过在腔体内表面构筑一层高比面积的硅纳米线阵列，可极大地增加腔体内的内表面积，提高吸附材料的承载量，提高基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的富集率。

Microconcentrator chip based on silicon nanowire arrays and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法
本专利技术属于微电子机械系统领域，特别是涉及一种基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法。
技术介绍
富集是一种重要的分析技术。富集器是气体分析仪器(如气相色谱仪、离子迁移谱、质谱仪)中的重要部件，常设置于仪器的前端，其主要功能是大量吸附被探测的目标气体组分，即进行富集，然后使目标气体组分在极短的时间内脱附，此时目标气体组分浓度被瞬间放大，并被送入分析仪器进行检测。一般而言，富集器可将分析仪器的探测能力提高1-3个数量级，当目标气体浓度比较低，特别是低于分析仪器的探测阈值时，富集器就显得尤为重要。传统的富集器为管状结构，通常是金属管或玻璃管，管内填充吸附材料，管外绕制加热丝。传统富集器的优点是富集率高，但是其死体积大，热容量大，升温速率慢，功耗也较大。而基于MEMS(Micro-electro-mechanicalsystems)技术的硅基微富集器由于死体积小、热容量小、升温迅速、功耗低、易于集成等优点，备受研究者的关注。硅基微富集器结构可分为单沟道式和腔体式。单沟道式的硅基微富集器结构简单，但由于沟道长度较长使其出入口两端的压差大，由于沟道内没有设计制作微结构，其表面积也小，而现有的腔体式结构会带来不同的气流场分布，不均匀的气体流场分布会限制富集率的进一步提高。因此，如何提供基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法，用于解决现有技术中气体流场分布不均匀以及富集率有限等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底，并所述衬底中制备凹槽结构；于所述衬底中制备若干个微柱结构，所述微柱结构位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；于所述衬底中制备至少两个微流控端口，所述微流控端口与所述凹槽结构相连通；及提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。作为本专利技术的一种可选方案，制备所述盖板后，还包括步骤：于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上制备加热电阻及测温电阻。作为本专利技术的一种可选方案，制备所述加热电阻及所述测温电阻的步骤包括：于需要形成所述加热电阻及所述测温电阻的结构的表面沉积金属材料层，并于所述金属材料层上形成图形化掩膜层，并基于所述图形化掩膜层刻蚀所述金属材料层，以形成所述加热电阻及所述测温电阻。作为本专利技术的一种可选方案，将所述盖板制备于所述衬底上的方式包括阳极键合，其中，所述盖板包括玻璃盖板，所述阳极键合的键合温度介于200℃-450℃之间，键合电压介于600V-1400V之间。作为本专利技术的一种可选方案，所述凹槽结构的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。作为本专利技术的一种可选方案，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。作为本专利技术的一种可选方案，所述制备方法还包括步骤：至少于所述微柱结构的表面制备硅纳米线阵列。作为本专利技术的一种可选方案，制备形成所述凹槽结构、所述微柱结构及所述微流控端口之后制备所述硅纳米线阵列，且所述硅纳米线阵列形成于所述凹槽结构内表面以及所述微柱结构的表面。作为本专利技术的一种可选方案，制备所述硅纳米线阵列的步骤包括：1)提供容置装置，并向所述容置装置中加入浓度为39-41％的氢氟酸溶液，将硅衬底放在氢氟酸溶液中浸泡8-12min后取出；2)提供容置装置，并向容置装置里加入39-41％氢氟酸溶液和0.01-0.03mol/L硝酸银溶液，将硅衬底放入里面保持4-6min后取出；3)提供容置装置，并向容置装置里加入39-41％氢氟酸和过氧化氢，将硅衬底放入里面保持2-3min后取出；4)提供容置装置，并向容置装置里加入65-70％硝酸溶液，将硅衬底放入里面浸泡8-12min后取出；5)将硅片进行甩干，在硅衬底表面得到硅纳米线阵列。作为本专利技术的一种可选方案，基于形成于所述衬底上的图形化掩膜层制备所述凹槽结构及所述微柱结构。作为本专利技术的一种可选方案，制备硅纳米线阵列之后还包括步骤：至少于所述硅纳米线阵列表面制备吸附材料层。作为本专利技术的一种可选方案，在制备所述盖板之后制备所述吸附材料层，其中，制备所述吸附材料层的方式包括：于所述微流控端口处安装毛细管，并基于所述毛细管至少于所述硅纳米线阵列表面形成所述吸附材料层。作为本专利技术的一种可选方案，在制备所述盖板之前制备所述吸附材料层，其中，制备所述吸附材料层的方式包括蒸发、溅射、原子层沉积以及分子气相沉积中的至少一种。本专利技术还提供基于硅纳米线阵列的微富集器芯片，所述基于硅纳米线阵列的微富集器芯片包括：衬底，且所述衬底中形成有凹槽结构；若干个微柱结构，形成于所述衬底上并位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，且相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；至少两个微流控端口，形成于所述衬底中，并与所述凹槽结构相连通；以及盖板，形成于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，并至少覆盖所述凹槽结构。作为本专利技术的一种可选方案，所述基于硅纳米线阵列的微富集器芯片还包括加热电阻及测温电阻，其中，所述加热电阻及所述测温电阻位于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上。作为本专利技术的一种可选方案，所述凹槽结构的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。作为本专利技术的一种可选方案，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。作为本专利技术的一种可选方案，所述第一延伸部及所述第二延伸部构成U型的所述微柱结构的两侧部，所述连接部构成U型的所述微柱结构的底部，其中，所述侧部的形状包括长方形，所述底部的形状包括半圆弧形，其中，所述半圆弧形的外径介于35μm-560μm之间，所述半圆弧形的内径介于25μm-400μm之间；所述长方形的宽介于5μm-80μm之间，所述长方形的长介于80μm-480μm之间；相邻所述微柱结构之间的间距介于5μm-80μm之间。作为本专利技术的一种可选方案，所述基于硅纳米线阵列的微富集器芯片还包括硅纳米线阵列，所述硅纳米线阵列至少位于所述微柱结构的表面。如上所述，本专利技术的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片及制备方法，通过在凹槽结构形成的腔体内设计嵌套设置的微柱结构阵列，可以获得大的表面积，并使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底，并所述衬底中制备凹槽结构；于所述衬底中制备若干个微柱结构，所述微柱结构位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；于所述衬底中制备至少两个微流控端口，所述微流控端口与所述凹槽结构相连通；及提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。

【技术特征摘要】
1.基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底，并所述衬底中制备凹槽结构；于所述衬底中制备若干个微柱结构，所述微柱结构位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；于所述衬底中制备至少两个微流控端口，所述微流控端口与所述凹槽结构相连通；及提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。2.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，制备所述盖板后，还包括步骤：于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上制备加热电阻及测温电阻。3.根据权利要求2所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，制备所述加热电阻及所述测温电阻的步骤包括：于需要形成所述加热电阻及所述测温电阻的结构的表面沉积金属材料层，并于所述金属材料层上形成图形化掩膜层，并基于所述图形化掩膜层刻蚀所述金属材料层，以形成所述加热电阻及所述测温电阻。4.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，将所述盖板制备于所述衬底上的方式包括阳极键合，其中，所述盖板包括玻璃盖板，所述阳极键合的键合温度介于200℃-450℃之间，键合电压介于600V-1400V之间。5.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，所述凹槽结构的形状包括椭圆形，及，中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。6.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：至少于所述微柱结构的表面制备硅纳米线阵列。8.根据权利要求7所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，制备形成所述凹槽结构、所述微柱结构及所述微流控端口之后制备所述硅纳米线阵列，且所述硅纳米线阵列层形成于所述凹槽结构内表面以及所述微柱结构的表面。9.根据权利要求7所述的基于硅纳米线阵列的微富集器芯片的制备方法，其特征在于，制备所述硅纳米线阵列层的步骤包括：1)提供容置装置，并向所述容置装置中加入浓度为39-41％的氢氟酸溶液，将硅衬底放在氢氟酸溶液中浸泡8-12min后取出；2)提供容置装置，并向容置装置里加入39-41％氢氟酸溶液和0.01-0.03mol/L硝酸银溶液，将硅衬底放入里面保持4-6min后取出；3)提供容置装置，并向容置装置里加入39-41％氢氟酸和过氧化氢，将硅衬底放入里面保持2-3min后取出；4)提供容置装置，并向容置装置里加入65-70％硝酸溶液，将硅衬底放入里面浸...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯飞，赵斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31