一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器及其製備方法

2023-09-21 04:52:00

一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器及其製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器及其製備方法，所述傳感器包括橋接式納米測試敏感單元、微流道取樣單元、制熱取樣單元和測試室單元；所述傳感器製備方法將納米材料分散於聚合物體系形成複合物薄膜，將納米材料通過薄膜微結構引入微加工體系，之後輔助常規的微加工圖形化、可控刻蝕、濺射和微電鑄等工藝製備橋接式納米測試敏感單元，同時使用微加工工藝在橋接式納米測試敏感單元外圍設計微流道取樣單元、制熱取樣單元以及測試室單元，形成橋接式納電極集成檢測微系統——自加熱微流道橋接式納電極傳感器。該系統同時具備氣態液態樣品取樣和檢測功能，實現了橋接式納電極傳感器與微型化系統的集成製造。
【專利說明】一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器及其製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種納微傳感器【技術領域】的裝置及製備方法，具體地，涉及一種自加 熱微流道橋接式納電極傳感器及其製備方法。

【背景技術】
[0002] 傳感器作為實現自動檢測和自動控制系統的首要環節，已經廣泛應用到如醫學診 斷、環境保護、工業生產等領域。納電極傳感器的納米結構比表面積大、表面原子比率大，體 系的電子結構和晶體結構易產生明顯改變，目標檢測物與其表面的相互作用會使其電學性 能發生量級變化，納米結構的引入能大幅降低目標檢測物的檢出限，是最有前途的發展方 向之一。碳納米管作為最具潛力的新材料之一，以其高長徑比，良好的化學穩定性和優越的 導電能力獲得了廣泛認可，將碳納米管作為傳感器的敏感元件不僅可以大大提高器件的靈 敏度、分辨力、響應速度、可重複性等重要參數，還可以拓展感應傳統傳感器的檢測領域。
[0003] 經過對現有技術文獻檢索發現，Valentini等在《Diamond and Related Materials》13(2004)，1301_1305 上發表的文章 "Highly sensitive and selective sensors based on carbonnanotubes thin films for molecular detection，' 中米用直接 生長法製備的碳納米管薄膜型納電極傳感器，通過在Si3N4基底上圖形化製備Pt電極，然後 在Si 3N4基底上生長碳納米管薄膜，通過Pt電極兩端阻值變化對目標物實現檢測。採用直 接生長法，碳納米管在生長陣列中密度非常高，敏感元的數量增大會導致痕量汙染物對整 體薄膜電學性能的擾動程度降低，直接影響其檢測靈敏度。Yijiang Lu等在《Journal of Electroanalytical Chemistry》593(2006)，105-110 上發表的文章 "A carbon nanotube sensor array for sensitive gas discrimination using principal component analysis"中採用附著法製備的橋接式納電極傳感器陣列，採用DMF/碳納米管分散系將碳 納米管分布在預先設計的電極陣列上，然後揮發DMF保留橋接式碳納米管電極陣列作為檢 測單元。橋接式納米結構利用有限數量的納米材料作為敏感元，極微量目標物的擾動都會 使其電學性能產生巨大擾動，最大程度的發揮了納米材料的敏感特性，該納電極傳感器的 靈敏度低至5ppm。然而，由於附著法製備的橋接式納米結構，僅僅依靠範德華力實現界面 聯接，納米材料與測試電極間的界面結合非常脆弱，給器件的後處理和系統集成造成了困 難。此外，Rong Zhu 等在《Sensors and Actuators A》154 (2009) ,224-228 上發表的"Zinc oxide nanowire electromechanical oscillator"米用氧化鋒納米線通過微操作使用聚 焦離子束在電極兩端焊接氧化鋅納米線，實現了具有牢固界面結合的橋接式納米結構敏感 元。儘管微操作裝配能夠實現具有牢固界面結合的橋接式納米結構，但是該加工方法成本 過高，基本不適用於大規模批量化製備。


【發明內容】

[0004] 針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳 感器及其製備方法。
[0005] 根據本發明的一個方面，提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，包括：制熱 取樣單元、微流道取樣單元、測試室單元、橋接式納米測試敏感單元，其中：微流道取樣單 元、制熱取樣單元、橋接式納米測試敏感單元、測試室單元均位於基片之上，微流道取樣單 元和測試室單元相連通，制熱取樣單元位於微流道取樣單元和測試室單元交匯處底部，橋 接式納米測試敏感單元位於測試室單元內；
[0006] 所述橋接式納米測試敏感單元：由暴露在測試環境中的碳納米管和實現信號傳輸 的納微集成電極組成，當目標檢測物在碳納米管表面富集發生物理或化學吸附時，會改變 碳納米管的電化學性質，通過納微集成電極進行納米結構的電學性質檢測實現敏感物的定 性或定量分析，微納集成電極與外部電路相連，實現測試信號的輸出；
[0007] 所述測試室單元：位於橋接式納米測試敏感單元外部，為檢測物和橋接式納米測 試敏感單元相互作用提供穩定環境，在測試室單元側壁兩端各有一個樣品入口，可供氣體 樣品直接進入，方便檢測；
[0008] 所述微流道取樣單元：為密封細管狀，由液體樣品入口和微流道組成，液體樣品入 口通過微流道與制熱取樣單元及測試室單元相連通，將液體樣品通過毛細作用"輸送"至制 熱取樣單元；
[0009] 所述制熱取樣單元：由加熱絲和位於加熱絲上部的微流道組成，所述位於加熱絲 上部的微流道分別與所述微流道取樣單元的微流道及測試室單元相連通，通過加熱絲加熱 使液體樣品揮發進入測試室單元。
[0010] 優選地，所述橋接式納米測試敏感單元使用植布法製備，而制熱取樣單元、微流道 取樣單元、測試室單元均採用微加工圖形化、可控刻蝕、濺射和微電鑄工藝製備。
[0011] 本發明所述的自加熱微流道橋接式納電極傳感器可同時對氣體樣品和液體樣品 進行檢測，氣體樣品可直接由氣體樣品入口進入測試室，與橋接式納米測試敏感單元相互 作用，而液體樣品可由液體樣品入口（位於微流道端部）進入微流道取樣單元，繼而由制熱 取樣單元加熱後轉化為氣體樣品進入測試室單元，與橋接式納米測試敏感單元相互作用， 由微納集成電極將信號導出至外接電路，完成樣品測試和信號傳輸。
[0012] 根據本發明的另一個方面，提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備方 法，所述製備方法包括如下步驟：
[0013] 第一步、將碳納米管進行純化、分散、切斷處理後與聚合物犧牲層材料混合均勻， 製得碳納米管/聚合物複合漿料；
[0014] 第二步、在基底上構建圖形化碳納米管/聚合物複合薄膜，選擇性刻蝕裸露出圖 形化複合薄膜側壁的碳納米管端部；
[0015] 第三步、濺射金屬層覆蓋裸露出的碳納米管，微電鑄層包埋碳納米管端部，圖形化 形成橋接式納米結構單元陣列（該陣列中殘餘有機物作為結構支撐層，使用刻蝕液釋放有 機物後即為橋接式納米測試敏感單元）；
[0016] 第四步、光刻圖形化、濺射、電鑄製備制熱取樣單元；
[0017] 第五步、光刻圖形化，濺射製備絕緣層；
[0018] 第六步、光刻圖形化、濺射、電鑄製備微流道取樣單元及測試室單元；
[0019] 第七步、溼法刻蝕圖形化過程中殘餘的光刻膠，釋放制熱取樣單元、微流道取樣單 元、測試室單元的結構支承層及碳納米管/聚合物複合薄膜上表面保護層，而後使用選擇 性溼法刻蝕液刻蝕，釋放橋接式納米測試敏感單元複合膜中的聚合物，形成雙端植入中部 裸露的橋接式納米測試敏感單元，完成自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備。
[0020] 優選地，第一步中；
[0021] 所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管或其組合；
[0022] 所述的聚合物犧牲層材料與其刻蝕劑相對應，聚合物犧牲層材料的選取以去除方 便、可控制刻蝕的材料為宜；
[0023] 所述的碳納米管和聚合物犧牲層的質量比在1 :1?1 :50之間；
[0024] 所述的碳納米管/聚合物複合漿料的製備方法是手工研磨、機械攪拌或混合球磨 的中的一種或組合。
[0025] 優選地，第二步中，通過以下兩種方式的任意一種在基底上構建圖形化碳納米管/ 聚合物複合薄膜，選擇性刻蝕裸露碳納米管端部：
[0026] 1)將碳納米管/聚合物複合材料旋塗到基片上，得到碳納米管/聚合物複合薄膜， 然後通過光刻圖形化工藝，獲得圖形化的碳納米管/聚合物複合薄膜微結構，同時裸露碳 納米管端部；
[0027] 2)首先在基底上圖形化光刻膠，然後用碳納米管/聚合物複合漿料填充光刻膠圖 形的間隙，固化形成碳納米管/聚合物複合薄膜，磨平後去除殘餘的光刻膠，而後圖形化光 刻膠保護碳納米管/聚合物複合薄膜上表面，使用選擇性刻蝕液刻蝕聚合物，裸露碳納米 管端部。
[0028] 更優選地，所述的基片為絕緣基片，如沉積有Si02絕緣層的矽片、玻璃片的絕緣基 體中的一種；所述的碳納米管/聚合物複合薄膜的厚度為1 μ m-lmm ;所述的磨平採用的是 低粗糙度平面打磨，粗糙度分布在1 μ m?100 μ m範圍內；所述的使用選擇性刻蝕液刻蝕聚 合物，刻蝕時間為l〇s?30min。
[0029] 優選地，第三步中：
[0030] 所述的溉射金屬層由Cr、Cu、Pt、Au金屬單質構成，結合傳感器的具體工作環境選 擇金屬的種類；
[0031] 所述微電鑄層由Cu、Ni、Au、Ag金屬單質構成，結合傳感器的具體工作環境選擇金 屬的種類。
[0032] 優選地，第四步中，所述的制熱取樣單元由Cr、Cu、Au、Ti、Ni金屬單質或合金中的 一種或兩種複合沉積得到，結合傳感器的具體工作環境選擇金屬的種類；制熱取樣單元的 高度為2 μ m?200 μ m。
[0033] 優選地，第五步中，所述的絕緣層為Si02,多晶矽，氧化鋁的可沉積或原位氧化制 備的絕緣薄膜，絕緣層的厚度為10nm-10 μ m、電阻率為10 Ω cm?5000 Ω cm。
[0034] 優選地，第六步中，所述的微流道取樣單元及所述的測試室單元均由Cr、Cu、Ag、 Au、Ti、Ni金屬單質或合金中的一種或兩種複合沉積得到，結合傳感器的具體工作環境選擇 金屬的種類；所述的微流道取樣單元及所述的測試室單元的厚度均為l〇ym?2_。
[0035] 優選地，第七步中，所述的制熱取樣單元、所述的微流道取樣單元、所述的測試室 單元以及所述的橋接式納米測試敏感單元中金屬部分的形狀、尺寸、位置通過圖形化工藝 得到，碳納米管密度、修飾等前處理取決於具體傳感器器件，圖形尺寸限制在微加工線寬允 許範圍內。
[0036] 本發明使用植布法製備橋接式納米結構敏感單元，有效解決橋接納米材料與金屬 電極界面弱結合的問題，實現了有限數量納米材料對目標物的超高靈敏度檢測，本發明基 於納米材料/聚合物複合薄膜，巧妙組合微加工工藝，突破了納-微集成製造難題，並在此 基礎上提出一種集採樣、制樣、檢測及後處理功能於一體的橋接式納電極集成檢測微系統 設計，推進了納電極傳感器走向實際應用，為其批量化製備和集成化發展奠定基礎。
[0037] 與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
[0038] 1、橋接式納米測試敏感單元最大程度的發揮了納米材料特殊的電子效應和表面 效應，實現了目標物檢測；
[0039] 2、採用納米材料植布工藝，同時實現了納米材料與測試電極界面穩定結合和納微 結構批量化兼容製備；
[0040] 3、同時設計了微流道採樣單元、制熱取樣單元以及測試室單元這些微結構單元， 使系統成為具備氣液態取樣制樣、檢測及後處理功能的集成檢測微系統，真正實現了納米 檢測單元微型化系統的集成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、 目的和優點將會變得更明顯：
[0042] 圖1為本發明一實施例結構示意圖。
[0043] 圖中：1為基片,2為液體樣品入口，3為微流道,4為加熱絲,5為樣品測試室,6為 橋接式碳納米管結構，7為測試電極，8為氣體樣品入口。

【具體實施方式】
[0044] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術 人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明 的保護範圍。
[0045] 如圖1所示，本實施例提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，包括：基片1、 液體樣品入口 2、微流道3、加熱絲4、樣品測試室5、橋接式碳納米管結構6、測試電極7、氣 體樣品入口 8,其中：基片1位於整體結構的最底端，液體樣品入口 2、微流道3、加熱絲4、樣 品測試室5、橋接式碳納米管結構6、測試電極7、氣體樣品入口 8均位於基片1之上，其中橋 接式碳納米管結構6與測試電極7兩端分別連通，液體樣品入口 2、微流道3和樣品測試室 5相連通，氣體樣品入口 8位於測試室5兩端，加熱絲4位於微流道3和樣品測試室5交匯 處底部，測試電極7位於樣品測試室5內；測試電極7使用植布法製備，而加熱絲4、微流道 3、樣品測試室5均採用常規的微加工圖形化、可控刻蝕、濺射和微電鑄工藝製備。
[0046] 本實施例所述自加熱微流道橋接式納電極傳感器可同時對氣體樣品和液體樣品 進行檢測，氣體樣品可直接由氣體樣品入口 8進入樣品測試室5,與橋接式碳納米管結構6 相互作用；而液體樣品可由液體樣品入口 2通過毛細作用進入微流道3,繼而由加熱絲4加 熱後轉化為氣體樣品進入樣品測試室5,與橋接式碳納米管結構6相互作用，由測試電極7 將信號導出至外接電路，完成樣品測試和信號傳輸。
[0047] 本實施例通過將納米材料分散於聚合物體系形成複合物薄膜，將納米材料通過薄 膜微結構引入微加工體系，之後輔助常規的微加工圖形化、可控刻蝕、濺射和微電鑄等工藝 製備橋接式納米測試敏感單元（包括橋接式碳納米管結構6和微納集成電極7)，同時使用 微加工工藝在橋接式納米測試敏感單元外圍設計微流道3、加熱絲4以及樣品測試室5,形 成橋接式納電極集成檢測微系統--自加熱微流道橋接式納電極傳感器。該系統同時具備 氣態液態樣品取樣和檢測功能，實現了橋接式納電極傳感器與微型化系統的集成製造。
[0048] 實施例1
[0049] 本實施例提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備方法，具體包括：
[0050] 1、將通常製備方法得到的直徑為30?50nm、長度大於5 μ m的多壁碳納米管進行 純化、切短處理，按比例與光刻膠混合，碳納米管和光刻膠的質量比為1 :1，使用行星輪球 磨機在50Hz下混合球磨，球磨時間為5小時，製得碳納米管/光刻膠複合漿料；
[0051] 2、在矽片上旋塗厚度為1 μ m碳納米管/光刻膠複合漿料，圖形化碳納米管/光刻 膠聚合物薄膜裸露碳納米管端部，然後將光刻膠烘乾；
[0052] 3、在上述結構表面旋塗8 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度100 A、Cu厚度400 A.使金屬種子層覆蓋裸露出的碳納米管，在常規電鍍工藝條件 下鍍Cu，厚度為1 μ m，使電鍍層包埋碳納米管端部；
[0053] 4、在上述結構表面旋塗3 μ m光刻膠並圖形化，將光刻膠烘乾後表面沉積Cr/Cu種 子層，其中Cr厚度100 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Cu，厚度為2 μ m，以製備 加熱絲；
[0054] 5、在上述結構表面旋塗2μπι光刻膠並圖形化，濺射一定電阻率的多晶矽薄膜，電 阻率為100 Ω cm、厚度為50nm，以製備絕緣層；
[0055] 6、在上述結構表面旋塗10 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度100 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Cu，厚度為10 μ m，以製備微流道及 樣品測試室；
[0056] 7、在上述結構表面旋塗5 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度1〇〇 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Cu，厚度為5 μ m，以完成微流道及 樣品測試室；
[0057] 8、使用濃度為0. 4%的氫氧化鈉溶液和丙酮去除光刻膠，釋放結構層，形成橋接式 納米測試電極（橋接式納米測試敏感單元和測試電極），從而完成自加熱微流道橋接式納 電極傳感器的製備。
[0058] 實施例2
[0059] 本實施例提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備方法，具體包括：
[0060] 1、將通常製備方法得到的直徑為30?50nm、長度大於5 μ m的多壁碳納米管進行 純化、切斷處理，按比例與聚醯亞胺（PI)混合，碳納米管和聚醯亞胺的質量比為1 :50,使用 行星輪球磨機在50Hz下混合球磨，球磨時間為3小時，以製得碳納米管/聚醯亞胺複合漿 料；
[0061] 2、在矽片上旋塗50 μ m光刻膠並圖形化，之後旋塗碳納米管/聚醯亞胺複合漿料， 將圖形化後的光刻膠圖形填平覆蓋，烘乾形成碳納米管/聚醯亞胺複合薄膜，用水砂紙打 磨，直至裸露出第一層光刻膠；
[0062] 3、使用濃度為0. 4%的氫氧化鈉溶液和丙酮去除去除光刻膠；
[0063] 4、在碳納米管/聚醯亞胺複合薄膜上旋塗保護層，旋塗3 μ m光刻膠並圖形化，以 形成碳納米管/聚醯亞胺保護層；
[0064] 5、使用聚醯亞胺刻蝕液選擇性刻蝕聚醯亞胺2min，使碳納米管/聚醯亞胺複合薄 膜側壁裸露出碳納米管端部；
[0065] 6、在上述結構表面旋塗50 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度100 A、Cu厚度400 A,使金屬種子層覆蓋裸露出的碳納米管，在常規電鍍工藝條件 下鍍Ni，厚度為50 μ m，使電鍍層包埋碳納米管端部；
[0066] 7、在上述結構表面旋塗50 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度100 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Cu，厚度為50 μ m，以製備加熱絲；
[0067] 8、在上述結構表面旋塗3 μ m光刻膠並圖形化，濺射一定電阻率的氧化鋁薄膜，電 阻率為100 Ω cm、厚度為200nm，以製備絕緣層；
[0068] 9、在上述結構表面旋塗250 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其 中Cr厚度100 A、Cu厚度400 A,在常規電鍍工藝條件下鍍Ni，厚度為250 μ m，以製備微流 道及樣品測試室；
[0069] 10、在上述結構表面旋塗50 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其 中Cr厚度丨00 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Ni，厚度為50 μ m，以完成微流道 及樣品測試室；
[0070] 11、使用濃度為2%的氫氧化鈉溶液和丙酮去除光刻膠，然後使用聚醯亞胺刻蝕液 去除聚醯亞胺，釋放結構層，形成橋接式納米測試電極，從而完成自加熱微流道橋接式納電 極傳感器的製備。
[0071] 實施例3
[0072] 本實施例提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備方法，具體包括：
[0073] 1、將通常製備方法得到的直徑為20?40nm、長度大於5 μ m的多壁碳納米管進行 純化、切短處理，按比例與光刻膠混合，多壁碳納米管和光刻膠的質量比為1 :1〇,使用行星 輪球磨機在50Hz下混合球磨，球磨時間為3小時，製得碳納米管/光刻膠複合漿料；
[0074] 2、在矽片上旋塗厚度為5 μ m碳納米管/光刻膠複合漿料，圖形化碳納米管/光刻 膠聚合物薄膜裸露碳納米管端部，然後將光刻膠烘乾；
[0075] 3、在上述結構表面旋塗5 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Ti種子層，厚度為 500 A，使金屬種子層覆蓋裸露出的碳納米管，在常規電鍍工藝條件下鍍Au，厚度為5 μ m， 使電鍍層包埋碳納米管端部；
[0076] 4、在上述結構表面旋塗2 μ m光刻膠並圖形化，將光刻膠烘乾後表面沉積Ti種子 層，厚度為500 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Cu，厚度為2 μ m，以製備加熱絲；
[0077] 5、在上述結構表面旋塗2 μ m光刻膠並圖形化，濺射一定電阻率的氧化鋁薄膜，電 阻率為100 Ω cm、厚度為50nm，以製備絕緣層；
[0078] 6、在上述結構表面旋塗10 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Ti種子層，厚度為 500 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Au，厚度為10 μ m，以製備微流道及樣品測試室；
[0079] 7、在上述結構表面旋塗3 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Ti種子層，厚度為 500 A.在常規電鍍工藝條件下鍍Au，厚度為3 μ m，以完成微流道及樣品測試室；
[0080] 8、使用濃度為0. 5%的氫氧化鈉溶液和丙酮去除光刻膠，釋放結構層，形成橋接式 納米測試電極，從而完成自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備。
[0081] 實施例4
[0082] 本實施例提供一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備方法，具體包括：
[0083] 1、將通常製備方法得到的直徑為10?20nm、長度大於5 μ m的多壁碳納米管進行 純化、切斷處理，按比例與聚醯亞胺（PI)混合，多壁碳納米管和聚醯亞胺的質量比為1 :4， 使用行星輪球磨機在50Hz下混合球磨，球磨時間為8小時，製得碳納米管/聚醯亞胺複合 漿料；
[0084] 2、在矽片上旋塗10 μ m光刻膠並圖形化，之後旋塗碳納米管/聚醯亞胺複合漿料， 將圖形化後的光刻膠圖形填平覆蓋，烘乾形成碳納米管/聚醯亞胺複合薄膜，用水砂紙打 磨，直至裸露出第一層光刻膠；
[0085] 3、使用濃度為0. 4%的氫氧化鈉溶液和丙酮去除去除光刻膠；
[0086] 4、在碳納米管/聚醯亞胺複合薄膜上旋塗保護層，旋塗3 μ m光刻膠並圖形化，形 成碳納米管/聚醯亞胺保護層；
[0087] 5、使用聚醯亞胺刻蝕液選擇性刻蝕聚醯亞胺5min，使碳納米管/聚醯亞胺複合薄 膜側壁裸露出碳納米管端部；
[0088] 6、在上述結構表面旋塗10 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度100 A、Cu厚度400 A，使金屬種子層覆蓋裸露出的碳納米管，在常規電鍍工藝條件 下鍍Ag，厚度為10 μ m，使電鍍層包埋碳納米管端部；
[0089] 7、在上述結構表面旋塗3 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度1〇〇 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Cu，厚度為3 μ m，以製備加熱絲；
[0090] 8、在上述結構表面旋塗2μπι光刻膠並圖形化，濺射一定電阻率的多晶矽薄膜，電 阻率為100 Ω cm、厚度50nm，以製備絕緣層；
[0091 ] 9、在上述結構表面旋塗30 μ m光刻|父並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其中 Cr厚度丨00 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Ag，厚度為30 μ m，以製備微流道及 樣品測試室；
[0092] 10、在上述結構表面旋塗10 μ m光刻膠並圖形化，然後表面沉積Cr/Cu種子層，其 中Cr厚度100 A、Cu厚度400 A，在常規電鍍工藝條件下鍍Ag，厚度為10 μ m，以完成微流 道及樣品測試室；
[0093] 11、使用濃度為1 %的氫氧化鈉溶液和丙酮去除光刻膠，然後使用聚醯亞胺刻蝕液 去除聚醯亞胺，釋放結構層，形成橋接式納米測試電極，從而完成自加熱微流道橋接式納電 極傳感器的製備。
[0094] 本發明最大程度的發揮了納米材料特殊的電子效應和表面效應，從而實現目標物 檢測。本發明採用納米材料植布工藝，同時實現了納米材料與測試電極界面穩定結合和納 微結構批量化兼容製備。基於植布工藝的納微跨尺度集成工藝，在橋接式納米結構敏感元 外圍設計了微流道採樣、樣品制熱取樣以及測試室微結構單元，使系統成為具備氣液態取 樣制樣、檢測及後處理功能的集成檢測微系統，真正實現了納米檢測單元微型化系統的集 成。
[0095] 以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述 特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影 響本發明的實質內容。
【權利要求】
1. 一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，包括：制熱取樣單元、微流道 取樣單元、測試室單元、橋接式納米測試敏感單元，其中：微流道取樣單元、制熱取樣單元、 橋接式納米測試敏感單元、測試室單元均位於基片之上，微流道取樣單元和測試室單元相 連通，制熱取樣單元位於微流道取樣單元和測試室單元交匯處底部，橋接式納米測試敏感 單元位於測試室單元內； 所述橋接式納米測試敏感單元：由暴露在測試環境中的碳納米管和實現信號傳輸的納 微集成電極組成，當目標檢測物在碳納米管表面富集發生物理或化學吸附時，會改變碳納 米管的電化學性質，通過納微集成電極進行納米結構的電學性質檢測實現敏感物的定性或 定量分析，微納集成電極與外部電路相連，實現測試信號的輸出； 所述測試室單元：位於橋接式納米測試敏感單元外部，為檢測物和橋接式納米測試敏 感單元相互作用提供穩定環境，在測試室單元側壁兩端各有一個樣品入口，可供氣體樣品 直接進入； 所述微流道取樣單元：為密封細管狀，由液體樣品入口和微流道組成，液體樣品入口通 過微流道與制熱取樣單元及測試室單元相連通，將液體樣品通過毛細作用"輸送"至制熱取 樣單元； 所述制熱取樣單元：由加熱絲和位於加熱絲上部的微流道組成，所述位於加熱絲上部 的微流道分別與所述微流道取樣單元的微流道及測試室單元相連通，通過加熱絲加熱使液 體樣品揮發進入測試室單元。
2. -種根據權利要求1所述的自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備方法，其特徵 在於，所述製備方法包括如下步驟： 第一步、將碳納米管進行純化、分散、切斷處理後與聚合物犧牲層材料混合均勻，製得 碳納米管/聚合物複合漿料； 第二步、在基底上構建圖形化碳納米管/聚合物複合薄膜，選擇性刻蝕裸露出圖形化 複合薄膜側壁的碳納米管端部； 第三步、濺射金屬層覆蓋裸露出的碳納米管，微電鑄層包埋碳納米管端部，圖形化形成 橋接式納米結構單元陣列（該陣列中殘餘有機物作為結構支撐層，使用刻蝕液釋放有機物 後即為橋接式納米測試敏感單元）； 第四步、光刻圖形化、濺射、電鑄製備制熱取樣單元； 第五步、光刻圖形化，濺射製備絕緣層； 第六步、光刻圖形化、濺射、電鑄製備微流道取樣單元及測試室單元； 第七步、溼法刻蝕圖形化過程中殘餘的光刻膠，釋放制熱取樣單元、微流道取樣單元、 測試室單元的結構支承層及碳納米管/聚合物複合薄膜上表面保護層，而後使用選擇性溼 法刻蝕液刻蝕，釋放橋接式納米測試敏感單元複合膜中的聚合物，形成雙端植入中部裸露 的橋接式納米測試敏感單元，完成自加熱微流道橋接式納電極傳感器的製備。
3. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第一 步中； 所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管或其組合； 所述的聚合物犧牲層材料與其刻蝕劑相對應，聚合物犧牲層材料的選取以去除方便、 可控制刻蝕的材料為宜； 所述的碳納米管和聚合物犧牲層的質量比在1 :1?1 :50之間； 所述的碳納米管/聚合物複合漿料的製備方法是手工研磨、機械攪拌或混合球磨的中 的一種或組合。
4. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第二 步中，通過以下兩種方式的任意一種在基底上構建圖形化碳納米管/聚合物複合薄膜，選 擇性刻蝕裸露碳納米管端部： 1) 將碳納米管/聚合物複合材料旋塗到基片上，得到碳納米管/聚合物複合薄膜，然後 通過光刻圖形化工藝，獲得圖形化的碳納米管/聚合物複合薄膜微結構，同時裸露碳納米 管端部； 2) 首先在基底上圖形化光刻膠，然後用碳納米管/聚合物複合漿料填充光刻膠圖形的 間隙，固化形成碳納米管/聚合物複合薄膜，磨平後去除殘餘的光刻膠，而後圖形化光刻膠 保護碳納米管/聚合物複合薄膜上表面，使用選擇性刻蝕液刻蝕聚合物，裸露碳納米管端 部。
5. 根據權利要求4所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，所述 的基片為絕緣基片，如沉積有Si02絕緣層的矽片、玻璃片的絕緣基體中的一種；所述的碳納 米管/聚合物複合薄膜的厚度為1 μ m-lmm ;所述的磨平採用的是低粗糙度平面打磨，粗糙 度分布在1 μ m?100 μ m範圍內；所述的使用選擇性刻蝕液刻蝕聚合物，刻蝕時間為10s? 30min〇
6. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第三 步中： 所述的溉射金屬層由Cr、Cu、Pt、Au金屬單質構成； 所述微電鑄層由Cu、Ni、Au、Ag金屬單質構成。
7. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第四 步中，所述的制熱取樣單元由Cr、Cu、Au、Ti、Ni金屬單質或合金中的一種或兩種複合沉積 得到，制熱取樣單元的高度為2 μ m?200 μ m。
8. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第五 步中，所述的絕緣層為Si02,多晶矽，氧化鋁的可沉積或原位氧化製備的絕緣薄膜，絕緣層 的厚度為lOnm-ΙΟ μ m、電阻率為10 Ω cm?5000 Ω cm。
9. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第六 步中，所述的微流道取樣單元及所述的測試室單元均由Cr、Cu、Ag、Au、Ti、Ni金屬單質或合 金中的一種或兩種複合沉積得到；所述的微流道取樣單元及所述的測試室單元的厚度均為 10 μ m ?2mm〇
10. 根據權利要求2所述的一種自加熱微流道橋接式納電極傳感器，其特徵在於，第七 步中，所述的制熱取樣單元、所述的微流道取樣單元、所述的測試室單元以及所述的橋接式 納米測試敏感單元中金屬部分的形狀、尺寸、位置通過圖形化工藝得到，圖形尺寸限制在微 加工線寬允許範圍內。
【文檔編號】G01N27/30GK104267075SQ201410468911
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】王豔, 孫斌, 丁桂甫 申請人:上海交通大學