一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器及其制备方法，通过采用一系列的MEMS加工工艺，实现多传感器的集成，用于多参数的同时检测，提高传感器的应用范围。纳米传感器上集成的场效应光电传感器，用于pH的检测，为纳米传感器的重金属检测提供pH值的指示，保证纳米传感器在适当的pH范围内进行电化学分析，提高传感器的检测效率。此外，通过研究pH对重金属检测的影响，引入纳米传感器检测数据的自校准模型，有效提高传感器的准确度与抗干扰能力，有利于提高传感器的性能。该传感器可应用于环境监测、生物医学、化学等各项领域，实现重金属元素快速、高效地检测。

【技术实现步骤摘要】
一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器及其制备方法
本专利技术涉及电化学传感器与光电传感器领域，尤其涉及一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器及其制备方法。
技术介绍
重金属元素广泛存在于人类的生产活动中，通过工业排放、农业、城市生活垃圾等方式进入环境中。由于重金属元素的高毒性、不易代谢、生物富集等特性，对生态环境与人类健康具有非常大的危害。此外，由于化石能源使用、火力发电、汽车尾气等产生大量酸性气体，局部地区产生的酸雨对生态环境也产生很大的影响。重金属与pH的检测具有很大的社会意义。常用的重金属检测方法以原子吸收光谱法(Atomicabsorptionspectroscopy,AAS)和电感耦合等离子体质谱法(Inductively-coupledplasmamassspectroscopy,ICP-MS)为主。这两种方法通常在实验室使用，具有设备体积大、操作与前处理步骤复杂、检测时间长、无法同时检测多种重金属等缺点，无法应用于水质的现场检测。电化学方法可以同时检测多种重金属元素，操作简单，，并具有很高的灵敏度及低检出限，可搭建小型或微型化仪器用于现场的检测。纳米传感器为电化学检测中工作电极的一种，其特点为其三维尺寸中的某一维为纳米级别，因此表现出优异的电化学特性。纳米传感器相比传统的大电极，具有传质速率高、电流密度大、时间常数小、信噪比高、iR降低等优良的特性，成为检测水环境重金属的便捷工具。另一方面，样品的酸性环境对电化学中重金属的检测具有重要影响，主要通过以下三个途径：溶液中的析氢反应、重金属离子的水解及工作电极灵敏度的变化。因此，在电化学方法检测重金属之前进行pH的测定，是非常有必要的。pH检测的引入，可以有效地为电化学的检测提供指示作用。目前环境中pH的检测已经有非常成熟的手段，从最为便捷的pH试纸到pH计，市场上已有大量的商用产品。本专利技术中使用的场效应光电传感器，通过激发光源照射在传感器表面，在施加外在偏压的情况下产生光生电流。光生电流的偏移与待测物质的浓度线性相关，通过该方式进行定量分析。该光电传感器用于pH检测具有良好的灵敏度、线性度、稳定性和重复性，已广泛应用于生物与细胞生长的酸性环境监测。现有的传感器技术中，传感器多采用单一的传感器结构，检测参数单一。多传感器的集成可实现多种参数的同时检测，扩大其应用范围，并且多传感器的检测数据可提供有效的检测指导或数据融合，提高传感器的检测性能和检测效率。本专利技术提出了一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器，纳米传感器由多根纳米电极梳状排列于硅基底表面，组成纳米电极阵列，其横截面端作为工作电极面，通过多阵列集成提高其信号强度。此外，梳状纳米传感器上集成有一个场效应光电传感器，为梳状纳米传感器重金属的检测提供pH指示。由于重金属检测电流与pH的变化存在相关性，通过建立相应的变化模型，为重金属的检测提供校准，提高传感器的检测性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器及其制备方法。本专利技术通过多传感器的集成与加工技术，形成梳状纳米传感器，旨在提高微纳电极的电流响应强度，并集成一个场效应光电传感器区域用于pH检测，为梳状纳米传感器提供pH指示，建立相应的自校准模型，以提高传感器用于重金属的检测性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器，包括硅片基底，在硅片基底的后端，设有一矩形的场效应光电传感器区域，在场效应光电传感器区域对应的硅片基底的背面开有一圆形槽，记为减薄区域；在场效应光电传感器区域除减薄区域外的硅片基底的背面沉积铝层；在场效应光电传感器区域对应的硅片基底的上表面从下至上覆盖第三绝缘层和敏感膜层；在硅片基底的上表面除场效应光电传感器区域外从下到上依次覆盖第一绝缘层、电极层和第二绝缘层；所述第二绝缘层从下至上由二氧化硅层和氮化硅层组成；所述电极层从下至上由粘附层和工作电极层组成；电极层包括梳状电极阵列和U形结构两部分；所述U形结构包围场效应光电传感器区域；在U形结构的尾端，去除该区域上的第二绝缘层，设置焊点；通过U形结构实现焊点与梳状电极阵列的连接。进一步地，所述第三绝缘层为二氧化硅层，厚度为20～60nm，所述敏感膜层为采用等离子体化学气相沉积工艺加工的氮化硅层，厚度为20～40nm；所述第一绝缘层为二氧化硅，厚度为200～600nm；所述第二绝缘层的二氧化硅层和氮化硅层厚度均为200～600nm；所述粘附层材料为铬或钛，厚度为20～50nm；所述工作电极层材料为金或铂，厚度为100～300nm。一种上述pH指示与自校准的梳状纳米传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)首先加工场效应光电传感器区域：选用450μm厚度的4英寸单晶硅片作为硅片基底，电阻率为10Ωcm；经过RCA标准清洗工艺清洗并烘干；硅片基底后部设有一场效应光电传感器区域，使用光刻胶保护硅片基底背面场效应光电传感器区域以外的其他部分，使用硅刻蚀工艺在场效应光电传感器区域刻蚀直径为4mm～8mm的圆形孔，形成厚度100μm的减薄区域；(2)移除光刻胶，采用热生长工艺在硅片基底表面生长一层厚度为20～60nm的二氧化硅层，为第三绝缘层，此时硅片基底的背面也存在一层二氧化硅层；沉积厚度为20nm～40nm的敏感膜层，敏感膜层为采用等离子体化学气相沉积的氮化硅敏感层；(3)使用光刻胶保护场效应光电传感器区域，双面刻蚀第三绝缘层和敏感膜层，仅保留场效应光电传感器区域的第三绝缘层及敏感膜层；随后去除保护的光刻胶；(4)使用热氧化工艺双面热生长200～600nm厚度的二氧化硅层，为第一绝缘层，此时硅片基底的背面也存在二氧化硅层；分别溅射20～50nm厚度的粘附层和100～300nm的工作电极层；(5)使用光刻板刻蚀纳米传感器的梳状电极阵列及U形结构的图形；去除光刻胶；采用等离子体化学气相沉积工艺分别沉积200～600nm厚度的二氧化硅层与氮化硅层，形成第二绝缘层；(6)使用光刻板刻蚀多余的绝缘层区域，暴露梳状纳米传感器的焊点区域及场效应光电传感器区域；去除光刻胶；(7)刻蚀背面的200～600nm的二氧化硅层，使用光刻胶保护硅片其他区域，在场效应光电传感器区域背部使用热蒸发工艺形成200～400nm厚度的铝层；去除光刻胶并使用Lift-off工艺剥离其他区域多余的铝，仅保留场效应光电传感器区域背部除减薄区域以外的部分，用于欧姆接触，形成光生电流。本专利技术的有益效果是，本专利技术提出了一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器及其制备方法。通过采用一系列的MEMS加工工艺，实现多传感器的集成，用于多参数的同时检测，提高传感器的应用范围。纳米传感器上集成的场效应光电传感器，用于pH的检测，为纳米传感器的重金属检测提供pH值的指示，保证纳米传感器在适当的pH范围内进行电化学分析，提高传感器的检测效率。此外，通过研究pH对重金属检测的影响，引入纳米传感器检测数据的自校准模型，有效提高传感器的准确度与抗干扰能力，有利于提高传感器的性能。该传感器可应用于环境监测、生物医学、化学等各项领域，实现重金属元素快速、高效地检测。附图说明图1是本专利技术梳状纳米传感器的结构示意图。图2是本专利技术梳状纳米传感器的横截面结构示意图。图3是本专利技术梳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器，其特征在于，包括硅片基底（4），在硅片基底（4）的后端，设有一矩形的场效应光电传感器区域（2），在场效应光电传感器区域（2）对应的硅片基底（4）的背面开有一圆形槽，记为减薄区域（11）；在场效应光电传感器区域（2）除减薄区域（11）外的硅片基底（4）的背面沉积铝层（12）；在场效应光电传感器区域（2）对应的硅片基底（4）的上表面从下至上覆盖第三绝缘层（13）和敏感膜层（3）；在硅片基底（4）的上表面除场效应光电传感器区域（2）外从下到上依次覆盖第一绝缘层（5）、电极层（6）和第二绝缘层（7）；所述第二绝缘层（7）从下至上由二氧化硅层（14）和氮化硅层（15）组成；所述电极层（6）从下至上由粘附层（16）和工作电极层（17）组成；电极层（6）包括梳状电极阵列（9）和U形结构（10）两部分；所述U形结构（10）包围场效应光电传感器区域（2）；在U形结构（10）的尾端，去除该区域上的第二绝缘层（7），设置焊点（8）；通过U形结构（10）实现焊点（8）与梳状电极阵列（9）的连接。

【技术特征摘要】
1.一种pH指示与自校准的梳状纳米传感器，其特征在于，包括硅片基底(4)，在硅片基底(4)的后端，设有一矩形的场效应光电传感器区域(2)，在场效应光电传感器区域(2)对应的硅片基底(4)的背面开有一圆形槽，记为减薄区域(11)；在场效应光电传感器区域(2)除减薄区域(11)外的硅片基底(4)的背面沉积铝层(12)；在场效应光电传感器区域(2)对应的硅片基底(4)的上表面从下至上覆盖第三绝缘层(13)和敏感膜层(3)；在硅片基底(4)的上表面除场效应光电传感器区域(2)外从下到上依次覆盖第一绝缘层(5)、电极层(6)和第二绝缘层(7)；所述第二绝缘层(7)从下至上由二氧化硅层(14)和氮化硅层(15)组成；所述电极层(6)从下至上由粘附层(16)和工作电极层(17)组成；电极层(6)包括梳状电极阵列(9)和U形结构(10)两部分；所述U形结构(10)包围场效应光电传感器区域(2)；在U形结构(10)的尾端，去除该区域上的第二绝缘层(7)，设置焊点(8)；通过U形结构(10)实现焊点(8)与梳状电极阵列(9)的连接。2.根据权利要求1所述pH指示与自校准的梳状纳米传感器，其特征在于，所述减薄区域(11)的直径为4mm～8mm；所述第三绝缘层(13)为二氧化硅层，厚度为20～60nm，所述敏感膜层(3)为采用等离子体化学气相沉积工艺加工的氮化硅层，厚度为20～40nm；所述第一绝缘层(5)为二氧化硅，厚度为200～600nm；所述第二绝缘层(7)的二氧化硅层(14)和氮化硅层(15)厚度均为200～600nm；所述粘附层(16)材料为铬或钛，厚度为20～50nm；所述工作电极层(17)材料为金或铂，厚度为100～300nm。3.一种权利要求1所述pH指示与自校准的梳状纳米传感器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，万浩，孙启永，李海波，孙斐，屠佳伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33