專利名稱：用于電離室的電極以及制造該電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電離室的電極。本發(fā)明還涉及電離室，具體涉及電離檢測(cè)器。此外，本發(fā)明涉及制造用于電離室的電極的方法。
背景技術(shù)：
盡管氣相色譜質(zhì)譜儀(GCMS)是一種監(jiān)控和確定氣體樣本成分的魯棒且可靠的技 術(shù)，然而其尺寸大和成本高，因此需要廉價(jià)且更小巧的檢測(cè)方法。目前，傳感器制造商正在 通過使用微型機(jī)械技術(shù)來制造具有更先進(jìn)的檢測(cè)能力并且覆蓋更大范圍的先進(jìn)應(yīng)用的儀 器。在繼續(xù)使用成熟技術(shù)的同時(shí)，車輛制造商例如也在不斷完善用在他們的產(chǎn)品中的電子 系統(tǒng)。許多制造商主張化學(xué)傳感器提供例如煙氣的實(shí)時(shí)分析并確定燃料蒸汽回收系統(tǒng)中碳 氫化合物的濃度。通常，氣體傳感器通過多種根本上不同的機(jī)制來操作。電離傳感器通過對(duì)不同氣 體的電離特性進(jìn)行指紋處理來工作，但是這些電離傳感器受限于它們體積巨大的架構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，可能需要提供用于電離室的改進(jìn)的電極、電離室以及制造用于電離室的電 極的方法，其中，電離室可以具有較小的尺寸并且可以工作在低電壓下。為了滿足上述需要，提供了根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求所述的用于電離室的電極、電離室 以及制造用于電離室的電極的方法。根據(jù)示例實(shí)施例，提供了一種用于電離室的電極，其中，所述電極包括包括第一 材料的襯底；以及從襯底延伸出來并通過處理襯底的第一材料而制造的多條納米線。根據(jù)示例實(shí)施例，提供了一種電離室，其中，所述電離室包括根據(jù)本發(fā)明示例實(shí) 施例的電極；空腔；以及另外電極；其中，所述多條納米線中的至少一些或所有納米線的尖 端區(qū)域延伸到空腔中，并且所述另外電極被布置為使得尖端區(qū)域和所述電極彼此面對(duì)。具 體地，空腔可以在至少一側(cè)被另外電極密封，例如，另外電極可以形成空腔的棒(wand)，另 外電極與尖端區(qū)域(例如，不被介電層所覆蓋的納米線的區(qū)域)可以彼此面對(duì)但不直接接 觸，即，可以彼此分開。根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，提供了一種制造電極的方法，所述方法包括提供襯 底；以及對(duì)襯底圖案化，使得通過處理襯底來產(chǎn)生從襯底延伸出來的多條納米線。在本申請(qǐng)中，術(shù)語“電離室”可以具體代表適于電離流 體(例如氣體或液體)和/ 或檢測(cè)這種電離后的流體的任何設(shè)備或外殼，例如電離檢測(cè)器。這種電離室可以具體適于 耦合至和/或可以包括電壓或能量源，例如電池。在本申請(qǐng)中，術(shù)語“納米線”可以具體代表包括導(dǎo)電材料或由導(dǎo)電材料制成的任何 小結(jié)構(gòu)。具體地，納米線在第一或縱向方向上的延伸或尺寸可以比在與縱向方向垂直的方 向上的延伸或尺寸大，以便形成類似于線的結(jié)構(gòu)。此外，整個(gè)納米線的大小在較低的微米或亞微米范圍內(nèi)。例如，縱向方向的延伸可以在幾微米(例如，大約20μπι)到幾納米(例如， 50nm)之間，而納米線的直徑可以在大約2nm到大約200nm的范圍內(nèi)。具體地，納米線的長(zhǎng) 度可以在大約IOOnm到大約IOym之間，納米線的直徑可以在5nm到大約IOOnm之間。更 具體地，納米線的長(zhǎng)度可以在250nm到大約1 μ m之間，直徑可以在大約IOnm到大約50nm 之間。
與采用生長(zhǎng)納米線或納米管(例如，碳納米管)的電極相反，根據(jù)示例實(shí)施例的電 極可以提供小尺寸的電極，可以使用已知的技術(shù)來制造這種小尺寸電極。具體地，已知硅技 術(shù)的使用可以降低成本和/或提高制造工藝的產(chǎn)量。具體地，如在首先生長(zhǎng)碳納米管并然 后將碳納米管固定到襯底時(shí)一樣，當(dāng)使用硅技術(shù)(例如，CMOS技術(shù))時(shí)，可以更容易地制造 相對(duì)于彼此具有預(yù)定或固定關(guān)系或布置的納米線的陣列。因此，可以提供微米/納米級(jí)器 件，可以使用集成電路制造技術(shù)將這種微米/納米級(jí)器件制造為分立的器件或大的陣列。 因此，可以使用更簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化集成芯片部件技術(shù)。具體地，這種微米/納米級(jí)器件可以呈 現(xiàn)出更低的功耗并且不再需要如已知的笨重大體積器件一樣的危險(xiǎn)高壓操作。此外，可以 與CMOS器件兼容的低操作電壓可以提供快速的響應(yīng)時(shí)間以及例如幾mm3的器件封裝尺寸。 可以通過將傳感器集成到相同半導(dǎo)體襯底上來設(shè)計(jì)或制造這種小型檢測(cè)器或傳感器，例如 通過處理該半導(dǎo)體襯底從襯底形成納米線作為電路。因此，可以提高信噪比和靈敏度。由 于如在IC工業(yè)中一樣的標(biāo)準(zhǔn)批量處理可以應(yīng)用于制造器件的電極以及器件本身，所以可 以一次產(chǎn)生許多相同的傳感器，從而可以提高它們的性能/成本比率。此外，傳感器的小 型化不僅可以對(duì)傳感器的潛在低成本作出貢獻(xiàn)，還可以允許將這些傳感器與微電子電路集 成，從而可以進(jìn)一步提高傳感器的性能。此外，甚至可以將電極的制造工藝集成到整個(gè)微米/納米級(jí)器件(例如，微米/納 米級(jí)電離室或電離檢測(cè)器)的制造工藝中，使得不需要集成特殊部件。具體地，電極的制造 工藝可以是與CMOS兼容的集成方案。因此，可以看出本發(fā)明的示例方面的要點(diǎn)在于可以提供具有多條納米線的用于傳 感器和/或電離室的電極，所述多條納米線是通過處理半導(dǎo)體襯底而形成的。這種工藝可 以通過公知的結(jié)構(gòu)化方式來實(shí)現(xiàn)，例如通過使用已知的蝕刻工藝。這種蝕刻工藝可以具體 地在襯底上獲得精確限定的多條納米線的布置，從而可以使得傳感器的性能提高。具體地， 可以制造覆蓋電極(例如，陰極)的垂直排列的納米結(jié)構(gòu)陣列，與傳統(tǒng)的平面電極相比，該 納米結(jié)構(gòu)更適宜制造一致的納米級(jí)表面形貌(topology)。此外，將描述本發(fā)明的進(jìn)一步的示例實(shí)施例。在下文中，將說明用于電離室的電極的進(jìn)一步的示例實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例也 應(yīng)用于電離室和制造電極的方法。根據(jù)電極的另一示例實(shí)施例，通過蝕刻來制造多條納米線。蝕刻可以是一種從襯 底制造納米線的有效方式，因?yàn)榭梢允褂冒雽?dǎo)體技術(shù)中已知的蝕刻工藝使得納米線的高再 現(xiàn)性和所實(shí)現(xiàn)的布置的高精度成為可能。此外，蝕刻工藝可以完全集成到標(biāo)準(zhǔn)工藝中。根據(jù)電極的另一示例實(shí)施例，多條納米線中的至少一些納米線包括尖端區(qū)域。具 體地，尖端區(qū)域可以由圓錐尖端形成，例如可以由尖銳尖端形成。在尖端彼此分開使得不發(fā) 生各個(gè)尖端的電場(chǎng)的屏蔽或重疊的情況下，提供這種尖端(具體地，尖銳尖端)可以是一種 產(chǎn)生非常高的電場(chǎng)的合適方法。這種非常高的電場(chǎng)可以減小擊穿電壓，使得包括這種電極的檢測(cè)器可以當(dāng)電離流體時(shí)呈現(xiàn)提高的靈敏度和/或更高的性能。因此，可以制造出緊湊 的、可能由電池供電的、操作安全的這種檢測(cè)器。尖銳尖端可以具體地被表征為尖銳尖端的 開度角低于45°，優(yōu)選地可以低于30°。例如，開度角可以在10°和25°之間，或可以更 低，例如在5°和10°之間。根據(jù)電極的另一示例實(shí)施例，第一材料是半導(dǎo)體材料。具體地，基礎(chǔ)部件可以是半 導(dǎo)體襯底，例如硅襯底或包括鍺作為材料的襯底。根據(jù)電極的另一示例實(shí)施例，多條納米線中的至少一些納米線被至少部分地硅 化。具體地，可以通過使用任何合適的硅化階段(例如通過使用TiSi2、NiSi或CoSi2)來硅 化或金屬化納米線的一部分。此外，可以部分或全 部地硅化一些或所有納米線。例如，可以 僅硅化納米線的尖端區(qū)域，例如不被介電材料或介電層覆蓋的尖端區(qū)域。硅化可以延長(zhǎng)納米線的壽命和/或還可以增大納米線尖端區(qū)域中的電場(chǎng)。在下文中，將說明電離室的進(jìn)一步的示例實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例也可以應(yīng)用于 電離室的電極以及制造電極的方法。根據(jù)另一示例實(shí)施例，電離室還包括介電層，其中，介電層被布置為使得多條納米 線中的至少一部分被介電層至少部分地覆蓋。具體地，可以在基礎(chǔ)部件或?qū)嵸|(zhì)上可能產(chǎn)生 部分鈍化的納米線的襯底上，在納米線之間以連續(xù)層的形式沉積介電層。例如，多條納米線 中的每條納米線可以包括附著到或連接至基礎(chǔ)部件的基礎(chǔ)區(qū)域以及可以具有圓錐形狀的 尖端區(qū)域，介電層可以被形成或沉積為使得多條納米線中的至少一些納米線或甚至所有多 條納米線的基礎(chǔ)部件可以被介電層所密封或覆蓋，同時(shí)尖端區(qū)域可以不被介電層所覆蓋， 艮口，沒有介電材料。根據(jù)另一示例實(shí)施例，電離室還包括加熱元件。加熱元件的提供可以適于幫助凈化電離室，例如可以幫助凈化檢測(cè)器的空腔。具 體地，在制造和/或操作電離室時(shí)涉及氣體的吸收或解吸的情況下，這種加熱元件的提供 可以是有用的。總之，根據(jù)本發(fā)明的示例方面，可以提供用于電離室或傳感器的電極，所述電極包 括通過處理(例如，蝕刻)半導(dǎo)體襯底(例如，硅襯底)來制造的多條納米線。納米線可以 具有尖端區(qū)域，在向納米線提供電壓時(shí)，所述尖端區(qū)域的形狀導(dǎo)致在圍繞該尖端的區(qū)域中 產(chǎn)生高電場(chǎng)。當(dāng)被集成到傳感器(例如，氣體傳感器)時(shí)，納米線可以被集成到加熱元件上 以幫助凈化傳感器。因此，可以提供一種尺寸小、低功耗且高可靠性的電離型氣體傳感器。 具體地，電離型傳感器或電離室可以不遭受在檢測(cè)具有低吸附能或向有源層的低電負(fù)性的 氣體方面的困難，在使用氣體吸附型傳感器時(shí)可能會(huì)發(fā)生這種困難。根據(jù)本發(fā)明的示例方面的電極或使用這種電極的電離型傳感器可以用在大范圍 的技術(shù)領(lǐng)域中。例如，其可以用在汽車領(lǐng)域中，在汽車領(lǐng)域中，隨著排放控制的不斷發(fā)展，艙 內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控快速發(fā)展。也可以用在工業(yè)安全領(lǐng)域、工藝控制、排污監(jiān)控的領(lǐng)域中。另外 可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，例如用在醫(yī)療診斷中的呼吸和藥品領(lǐng)域。另一技術(shù)應(yīng)用可以是環(huán) 境監(jiān)控，例如，監(jiān)控示蹤氣體，例如在城市污染中起到重要作用的氣體，包括CO、NOx, CO2和 H2S。通過以下描述的實(shí)施例的示例，本發(fā)明的示例實(shí)施例以及上述方面和其他方面將 變得顯而易見，參考實(shí)施例的示例說明了本發(fā)明的示例實(shí)施例以及上述方面和其他方面。應(yīng)注意，本申請(qǐng)中結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例或方面而描述的特征可以與其他示例實(shí)施例或方面相結(jié)合。


在下文中將參考實(shí)施例的示例來更詳細(xì)描述本發(fā)明，然而本發(fā)明不限于這些實(shí)施 例的示例。圖1至7示意性地示出了根據(jù)示例實(shí)施例的制造電離室的過程。圖8示出了根據(jù)示例實(shí)施例的電極的顯微圖像。圖9示出了根據(jù)示例實(shí)施例的電離室的顯微圖像。
具體實(shí)施例方式圖中的說明是示意性的。在不同附圖中，為相似或相同的元件提供相似或相同的 參考標(biāo)記。在下文中，參考圖1至7，將說明根據(jù)示例實(shí)施例的制造電離室的過程的示例步
馬聚ο圖1示意性地示出了襯底100，襯底100包括基礎(chǔ)部件101，在所述基礎(chǔ)部件101 上布置有多條納米線102、103和104。通過蝕刻原始襯底(例如，硅襯底)形成納米線。對(duì) 于蝕刻，可以使用任何已知的蝕刻工藝，例如在CMOS工藝使用的蝕刻工藝。納米線102、103 和104分別具有可比擬的尖銳尖端105、106和107。出于說明的目的，在圖1中指示了角度 108，角度108是尖端的開度角的兩倍。圖2示出了在襯底100上具體地在基礎(chǔ)部件101上圍繞多條納米線的一部分形成 了介電層209之后圖1的襯底100?？梢酝ㄟ^已知工藝?yán)缤ㄟ^沉積、CVD或其他來形成介電層。圖3示出了在已將介電層209平面化和/或部分去除使得納米線的尖端區(qū)域露出 并不再嵌入介電層之后的圖2的襯底100。圖4示出了在已沉積并且結(jié)構(gòu)化或圖案化例如由SiOC制成的距離限定層410之 后的圖3的襯底100。具體地，SiOC層的厚度411可以限定線尖端與金屬板(例如電離室 的另外電極)之間間隙的大小。圖5示出了在沉積并平面化犧牲層512之后的圖4的襯底100。具體地，犧牲層 512可以包括熱降解性高分子(TDP)或可以由熱降解性高分子(TDP)制成，可以在納米線的 尖端上形成犧牲層512。SiOC層410可以形成平面化步驟中的停止層。圖6示出了在已經(jīng)在平面化的犧牲層512和距離限定層410上形成金屬層613之 后的圖5的襯底100。金屬層613可以形成電離室的另外電極或第二電極。圖7示出了在已經(jīng)去除了犧牲層512使得建立空腔714之后的圖6的襯底100，其 中空腔714形成電離室的室。如果TDP層用于犧牲層512，則可以通過分解TDP層來去除該 TDP層。通過去除犧牲層512，納米線的尖端再次露出并延伸至所形成的空腔714中。圖8示出了根據(jù)示例實(shí)施例的電極800的顯微圖像。具體地，圖8示出了以規(guī)則圖 案布置在襯底上的多條納米線802、803和804的陣列。在圖8中，圖案是規(guī)則的矩形或正 方形圖案，使得各個(gè)納米線與最近相鄰的納米線間距相等。從圖例中可以看出，間距在1 μ m的量級(jí)上，納米線的高度或長(zhǎng)度也在1 μ m的范圍內(nèi)。
圖9示出了根據(jù)示例實(shí)施例的電離室的顯微圖像。具體地，圖9示出了電離室900 的橫截面圖像。電離室900包括襯底901，多條納米線902、903和904從襯底901延伸出 來。在襯底901上在納米線之間形成介電層909，使得納米線902、903和904的尖端905、 906和907不嵌入介電層912但是延伸至電離室900的空腔914中。此外，在圖9中可以 看到金屬板或第二電極913。當(dāng)操作電離室900時(shí)，電壓源可以耦合至納米線，從而在自由 尖端的區(qū)域中產(chǎn)生高電場(chǎng)，所述電場(chǎng)足夠高以至于能夠擊穿經(jīng)過空腔914的流體(例如氣 體)。應(yīng)注意，術(shù)語“包括”并不排除其他元件或特征。此外，可以組合與不同實(shí)施例或 方面相關(guān)聯(lián)描述的元件。還應(yīng)注意，權(quán)利要求中的參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求的 范圍。
權(quán)利要求
一種用于電離室的電極，所述電極包括包括第一材料的襯底；從襯底延伸出來并通過處理襯底的第一材料而制造的多條納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中， 所述多條納米線是通過蝕刻而制造的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中，所述多條納米線中的至少一些納米線包括尖端區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中， 第一材料是半導(dǎo)體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中，所述多條納米線中的至少一些納米線被至少部分地硅化。
6.一種用于感測(cè)分子微粒的電離室，所述電離室包括 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極；空腔；以及 另外電極，其中，所述多條納米線中的至少一些納米線的尖端區(qū)域延伸到空腔中，并且 所述另外電極被布置為使得尖端區(qū)域和所述電極彼此面對(duì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電離室，還包括 介電層，其中，所述介電層被布置為使得所述多條納米線中的至少一部分被介電層至少部分地覆蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電離室，還包括 加熱元件。
9.一種制造電極的方法，所述方法包括 提供襯底；對(duì)襯底圖案化，使得通過處理襯底來產(chǎn)生從襯底延伸出來的多條納米線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中， 襯底包括硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中， 通過蝕刻來執(zhí)行圖案化。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括將介電層形成到襯底上，使得所述多條納米線中的至少一些納米線被介電層部分地覆 蓋，其中，所覆蓋的納米線的尖端區(qū)域沒有介電層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于電離室的電極以及包括電極的電離室，其中，所述電極包括包括第一材料的襯底，以及從襯底延伸出來并通過處理襯底的第一材料而制造的多條納米線。
文檔編號(hào)H01J41/02GK101868718SQ200880116530
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者穆罕默德·布特?？? 納德·阿基爾, 維賈亞拉格哈萬·馬達(dá)克西拉 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司