基于碳纳米管叉指电极结构的传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及碳基传感器技术领域，提供一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器及其制备方法，该基于碳纳米管叉指电极结构的传感器包括衬底、介电层、碳纳米管电极以及敏感材料层。多个碳纳米管电极被设置成叉指电极形状，构成敏感材料的附着区域。本发明专利技术使用碳纳米管薄片制成的叉指电极，尺寸在纳米级，使其基本上呈现平坦的平面，敏感层不易发生塌陷从而形成台阶状的结构，而且即使敏感层存在一定的凹陷或者类似台阶结构，被捕获的对象以跨越的姿态在相邻的两个叉指电极间，在相邻叉指间的载流子流动性不受影响，依然具有良好的转移和电性接触，在整个叉指电极结构上形成良好的电性导通，保证传感器的高灵敏度响应输出，提高响应特性。特性。特性。

【技术实现步骤摘要】
基于碳纳米管叉指电极结构的传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳基传感器
，具体而言涉及一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]叉指电极是指状或梳状的面内有周期性图案的金属电极，可通过电化学工艺加工获得的超精细的电路。在叉指电极的图案上附加不同的敏感材料，可制备出不同的传感器，例如葡萄糖/血糖检测芯片、生物检测芯片(多肽检测、蛋白检测等)、DNA检测芯片、穿戴式健康监测芯片、化学成分(茶多酚、邻苯二酚、多酚等)检测、气体检测芯片等，可通过与被测目标分析物发生反应，并产生与目标分析物的含量、浓度成比例的电信号响应输出，实现对被测目标的检测，在生物医疗检测、环境在线监测，食品安全检测，公共安全等重要领域得到广泛的应用。
[0003]基于叉指电极的传感器，是一种电阻型传感器，具有叉指对数、叉指宽带、叉指间距以及电极厚度四个结构指标参数，对传感器的性能起到重要的影响。叉指的长宽比越大，叉指的密度越大，叉指电极的初始电阻越小，传感器的灵敏度和响应速度就会越高。当叉指电极结构尺寸减小到微米量级以下，叉指电极结构间的微弱的电阻变化可以被灵敏地检测到，叉指电极传感器的灵敏度得以显著提高。
[0004]在传统的叉指电极结构中，使用金属作为电极材料，在其表面修饰或者附着敏感材料以及封装引出管脚后，可进行检测和应用。例如在气体痕量检测的需求下，希望传感器的叉指结构的密度大、叉指厚度小，具有低的基准电阻特性，对金属叉指结构的制备提出比较高的要求，金属叉指层需要做到非常薄的时候，基本上近似于颗粒状，当我们希望叉指电极继续降低时，难以实现，并且在高精确度痕量检测需求下，要求修饰的敏感膜的厚度非常薄，在传统金属叉指电极基础上实现大面积、均匀的超薄敏感膜的制备成为另一需要解决的问题。
[0005]传统的金属叉指电极结构中，叉指电极的厚度尺寸一般在微米级，电极相对较厚，一般在微米级别，在其表面制备非常薄的一层敏感膜时，尤其是希望制备大面积、均匀的敏感膜时，难度比较大，由于敏感层太薄容易导致下沉，使得敏感膜所在的表面(与检测目标接触的界面)形成连续或者离散分布的高度变化，产生“台阶现象”，在接触捕获目标分析物时，基于这样的“台阶现象”，使得载流子在高低台阶之间的转移和流动性变差，甚至导致断层，形成不良好的电性接触，影响叉指电极上的电流导通特性，降低传感器响应灵敏度和稳定性。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，采用碳纳米管薄片构成叉指电极结构，并在此基础上修饰或者附着敏感材料，构成新型的碳基传感器，实现对被测目标的高敏度度和稳定响应提出。
[0007]在本专利技术的一些方面，根据基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，可基于检测对象以及选择的敏感材料，制备成气体传感器、生物传感器、化学成分检测传感器、疾病传感器、健康监测传感器等。
[0008]在本专利技术的一些方面，根据基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，可基于所采用的基底的不同，制备成柔性传感器。
[0009]根据本专利技术目的的第一方面，提出一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，包括：
[0010]衬底，限定了第一表面和相对的第二表面；
[0011]位于所述衬底第一表面的介电层；
[0012]位于所述介电层上方的呈片状的碳纳米管电极；
[0013]位于所述碳纳米管电极所在区域的敏感材料层，被设置用于与被测目标接触；
[0014]其中，多个碳纳米管电极被设置成叉指电极形状，用于构成敏感材料的附着区域。
[0015]作为可选的示例，所述碳纳米管电极的厚度在纳米级。
[0016]作为可选的示例，所述碳纳米管电极的厚度在1
‑
10nm。
[0017]作为可选的示例，所述碳纳米管电极两侧通过Ti/Au层引出。
[0018]作为可选的示例，所述传感器为气体传感器，用于检测气体种类和/浓度。
[0019]作为可选的示例，所述气体传感器为用于检测一氧化碳、氨气、硫化氢或者甲醛气体的气体传感器，所述敏感材料层选自Pd@SnO2敏感薄膜、Co3O4敏感薄膜、ZnO敏感薄膜、Au/Ag敏感薄膜、TiO2敏感薄膜中的一种。
[0020]作为可选的示例，所述传感器为电化学传感器，用于检测有机物或者无机物的种类和/或浓度。
[0021]作为可选的示例，所述电化学传感器为用于检测乙醇、丙酮、苯的传感器，所述敏感材料层选自In2O3敏感薄膜、TiO2敏感薄膜、CuO敏感薄膜中的一种。
[0022]作为可选的示例，所述传感器为生物传感器，用于检测生物物质的种类和/或浓度。
[0023]作为可选的示例，所述生物传感器的敏感材料层为附着在碳纳米管电极所在区域的生物分子识别元件。
[0024]根据本专利技术目的的第二方面，还提出一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0025]步骤1、在硅基衬底上沉积一定厚度的SiO2作为介电层，形成Si/SiO2结构，其总厚度在100
‑
300nm；
[0026]步骤2、在介电层的上表面沉积CNTs薄膜，厚度控制在1
‑
10nm；
[0027]步骤3、通过匀胶机对沉积有CNTs薄膜的Si/SiO2结构表面进行匀胶、曝光，通过光刻技术确定叉指电极的区域图形，并通过反应离子刻蚀技术将CNTs薄膜刻蚀成叉指电极的形状，作为碳纳米管叉指电极；
[0028]步骤4、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发在碳纳米管叉指电极的两侧沉积金属膜，形成金属衬垫，使其便于后续探针测试；
[0029]步骤5、在碳纳米管叉指电极表面制备薄层的敏感材料层，用于与被测对象接触以进行被测对象的检测。
[0030]根据本专利技术目的的第三方面，还提出一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0031]步骤1、在硅基衬底上沉积一定厚度的SiO2作为介电层，形成Si/SiO2结构，其总厚度在100
‑
300nm；
[0032]步骤2、在介电层的上表面沉积CNTs薄膜，厚度控制在1
‑
10nm；
[0033]步骤3、通过匀胶机对沉积有CNTs薄膜的Si/SiO2结构表面进行匀胶、曝光，通过光刻技术确定叉指电极的区域图形，并通过反应离子刻蚀技术将CNTs薄膜刻蚀成叉指电极的形状，作为碳纳米管叉指电极；
[0034]步骤4、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发在碳纳米管叉指电极的两侧沉积金属膜，形成金属衬垫，使其便于后续探针测试；
[0035]步骤5、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发在碳纳米管叉指电极表面沉积一层预定厚度的金属膜层，然后通过高温加热氧化得到致密的金属氧化物敏感薄膜。
[0036]作为可选的实施例，所述方法进一步包括：
[0037]在金属氧化物敏感薄膜表面沉积一层离散的P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，包括：衬底(1)，限定了第一表面和相对的第二表面；位于所述衬底(1)第一表面的介电层(2)；位于所述介电层(2)上方的呈片状的碳纳米管电极(3)；位于所述碳纳米管电极(3)所在区域的敏感材料层，被设置用于与被测目标接触；其中，多个碳纳米管电极(3)被设置成叉指电极形状，用于构成敏感材料的附着区域。2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述碳纳米管电极(3)的厚度在纳米级。3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述碳纳米管电极(3)的厚度在1
‑
10nm。4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述碳纳米管电极(3)两侧通过Ti/Au层引出。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述传感器为气体传感器，用于检测气体种类和/浓度。6.根据权利要求5所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述气体传感器为用于检测一氧化碳、氨气、硫化氢或者甲醛气体的气体传感器，所述敏感材料层选自Pd@SnO2敏感薄膜、Co3O4敏感薄膜、ZnO敏感薄膜、Au/Ag敏感薄膜、TiO2敏感薄膜中的一种。7.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述传感器为电化学传感器，用于检测有机物或者无机物的种类和/或浓度。8.根据权利要求7所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述电化学传感器为用于检测乙醇、丙酮、苯的传感器，所述敏感材料层选自In2O3敏感薄膜、TiO2敏感薄膜、CuO敏感薄膜中的一种。9.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述传感器为生物传感器，用于检测生物物质的种类和/或浓度。10.根据权利要求9所述的基于碳纳米管叉指电极结构的传感器，其特征在于，所述生物传感器的敏感材料层为附着在碳纳米管电极(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，曹日升，刘灿，张泽宇，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：