本發(fā)明涉及一種傳感器技術領域，特別是涉及一種石墨烯傳感器及其制備方法。

背景技術：

石墨烯，是由碳原子構成的二維新材料，碳原子sp²雜化形成了具有蜂窩狀的二維晶體結構。這樣的精妙結構，賦予石墨烯特殊的電子特性以及優(yōu)良的電學、力學、熱學、光學和機械性能。這些特點使石墨烯在傳感器方面具有光明的應用前景。

石墨烯巨大的比表面積使其對周圍的環(huán)境非常敏感，即使是一個氣體分子的吸附或釋放都可以被檢測到，極大地提高了微量氣體(如nh3、no2、h2o、cl2和co等)快速檢測的靈敏性。石墨烯對一些酶呈現出優(yōu)異的電子遷移能力，并且對一些小分子如h2o2、nada等具有良好的催化性能，使其適合做基于酶的生物傳感器(葡萄糖傳感器和乙醇生物傳感器)，該類傳感器在醫(yī)藥、環(huán)境和食品等領域有重要的研究意義。

綜合石墨烯傳感器的研究近況，指出基于石墨烯的小尺度傳感器在環(huán)境檢測中的前景較好，但小尺寸石墨烯傳感器的開發(fā)依然面臨著3個方面的困難:第一，低成本批量化的制備技術有待開發(fā)；第二，石墨烯傳感器的尺寸需要微納化，以形成足夠的競爭力，提高應用范圍；第三，要避免制備過程中的污染，因為石墨烯是親油性的，碳氫化合物、水蒸氣分子容易吸附于其表面上，影響靈敏度，因此，石墨烯傳感器的制備工藝有待優(yōu)化。因此，沒有經濟實惠又高產的方法大規(guī)模的制備石墨烯，基于石墨烯的器件研發(fā)仍處于萌芽階段。

鑒于以上論述，本發(fā)明的目的在于提供一種制備石墨烯傳感器的方法，以實現器件微納化，避免污染，并實現該傳感器的批量制備，提高生產效率。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯傳感器及其制備方法，重點在于如何巧妙地設計該類器件的結構尺寸，實現器件微納化，并通過合理的工藝流程避免制備過程對石墨烯薄膜造成的污染。關鍵在于通過pecvd(等離子體增強化學氣相沉積)方法直接在預設的器件結構上生長石墨烯薄膜，以實現該類傳感器的批量制備，提高生產效率。

為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種石墨烯傳感器的制備方法，所述制備方法包括步驟：步驟1)，提供一襯底，于所述襯底的第一表面形成第一絕緣層，于所述襯底的第二表面形成第二絕緣層，所述第一表面與第二表面為所述襯底相對的兩個表面；步驟2)，于所述第一絕緣層中打開窗口，基于所述窗口對所述襯底進行濕法腐蝕直至所述第二絕緣層，以形成腔體結構；步驟3)，于所述腔體結構區(qū)域上的第二絕緣層中刻蝕出開孔；步驟4)，于所述第二絕緣層上制備金屬電極；步驟5)，于所述腔體結構表面生長石墨烯層，所述石墨烯層與所述腔體結構內的襯底表面形成肖特基接觸。

優(yōu)選地，所述襯底包括si襯底、ge襯底、aln襯底、sic襯底、al2o3襯底、inp襯底中的一種，所述襯底為n型摻雜、p型摻雜或者半絕緣體，所述襯底的晶向為各向異性。

優(yōu)選地，步驟1)中，通過化學氣相沉積方法于所述襯底的第一表面形成第一絕緣層，于所述襯底的第二表面形成第二絕緣層，所述第一絕緣層及第二絕緣層的材料包括sin，厚度范圍為30nm～150nm。

優(yōu)選地，步驟2)中，所述窗口的徑向尺寸為所述襯底徑向尺寸的1/3～3/4。

優(yōu)選地，步驟2)中，采用無機堿性腐蝕溶劑對所述襯底進行濕法腐蝕直至所述第二絕緣層，以形成腔體結構，所述無機堿性腐蝕溶劑包括koh、naoh、nh4oh中的一種。

進一步地，濕法腐蝕完成后，還包括依次采用丙酮、去離子水和異丙酮對所述襯底進行清洗的步驟。

優(yōu)選地，步驟3)中，所述開孔的直徑范圍為1-5μm。

優(yōu)選地，步驟4)包括：步驟4-1)，于所述第二絕緣層表面旋涂光刻膠，并曝光形成露出所述第二絕緣層的金屬電極圖形；步驟4-2)，通過磁控濺射、熱蒸發(fā)或者激光脈沖沉積方法于所述光刻膠及露出的第二絕緣層表面沉積金屬層；步驟4-3)，剝離所述光刻膠及光刻膠上的金屬層，形成金屬電極。

優(yōu)選地，步驟4-1)旋涂光刻膠前，先將所述第一絕緣層粘合于一完整表面上，然后于所述第二絕緣層表面旋涂光刻膠。

優(yōu)選地，所述金屬電極包括過渡金屬層及電極金屬層，所述過渡金屬層包括ge、ni、pt中的一種，厚度范圍為10nm～20nm，所述電極金屬層包括au、pt中的一種，厚度范圍為50nm～70nm。

優(yōu)選地，將步驟5)包括：步驟5-1)，采用rca標準清洗工藝清洗所述襯底；步驟5-2)，將所述襯底迅速放入到石墨烯生長爐中，通過等離子體增強化學氣相沉積pecvd方法直接在所述腔體結構表面生長石墨烯層，所述石墨烯層與所述腔體結構內的襯底表面形成肖特基接觸。

本發(fā)明還提供一種石墨烯傳感器，包括：襯底，所述襯底的第一表面形成有第一絕緣層，所述襯底的第二表面形成有第二絕緣層，所述第一表面與第二表面為所述襯底相對的兩個表面，所述第一絕緣層中打開有窗口，所述第二絕緣層中打開有開孔；腔體結構，基于所述窗口去除襯底材料而成，所述腔體結構直至所述第二絕緣層，且露出所述開孔；金屬電極，位于所述第二絕緣層上；石墨烯層，形成于所述腔體結構表面，且與所述腔體結構內的襯底表面形成肖特基接觸。

優(yōu)選地，所述襯底包括si襯底、ge襯底、aln襯底、sic襯底、al2o3襯底、inp襯底中的一種，所述襯底為n型摻雜、p型摻雜或者半絕緣體，所述襯底的晶向為各向異性。

優(yōu)選地，所述第一絕緣層及第二絕緣層的材料包括sin，厚度范圍為30nm～150nm。

優(yōu)選地，所述窗口的徑向尺寸為所述襯底徑向尺寸的1/3～3/4。

優(yōu)選地，所述開孔的直徑范圍為1-5μm。

優(yōu)選地，所述金屬電極包括過渡金屬層及電極金屬層，所述過渡金屬層包括ge、ni、pt中的一種，厚度范圍為10nm～20nm，所述電極金屬層包括au、pt中的一種，厚度范圍為50nm～70nm。

本發(fā)明還提供一種氣體檢測裝置，所述氣體檢測裝置包含上述方案中的任意一種石墨烯傳感器。

本發(fā)明還提供一種生物檢測裝置，所述生物檢測裝置包含上述方案中的任意一種石墨烯傳感器。

如上所述，本發(fā)明的石墨烯傳感器及其制備方法，具有以下有益效果：

1)本發(fā)明巧妙地設計該類器件的結構尺寸，實現器件微納化，并通過合理的工藝流程避免制備過程對石墨烯薄膜造成的污染。

2)本發(fā)明通過等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)方法直接在預設的器件結構上生長石墨烯薄膜，以實現該類傳感器的批量制備，提高生產效率。

3)本發(fā)明可對待測對象形成較大的壓力差使其從石墨烯腔體結構內通過，最大限度地和側壁石墨烯實現接觸，保證測量的高效性和靈敏度。

4)本發(fā)明的石墨烯傳感器不僅靈敏度和穩(wěn)定性有了較大的提高，而且降低了成本，并利于實現該類器件的批量生產和制備效率，并為其應用范圍提供了更廣闊的空間。

附圖說明

圖1～圖6顯示為本發(fā)明的石墨烯傳感器的制備方法各步驟所呈現的結構示意圖。

元件標號說明

101襯底

102第一絕緣層

103第二絕緣層

104窗口

105腔體結構

106開孔

107金屬電極

1071過渡金屬層

1072電極金屬層

108石墨烯層

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1～圖6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

如圖1～圖6所示，本實施例提供一種石墨烯傳感器的制備方法，所述制備方法包括步驟：

如圖1所示，首先進行步驟1)，提供一襯底101，于所述襯底101的第一表面形成第一絕緣層102，于所述襯底101的第二表面形成第二絕緣層103，所述第一表面與第二表面為所述襯底101相對的兩個表面。

作為示例，所述襯底101包括si襯底、ge襯底101、aln襯底、sic襯底、al2o3襯底、inp襯底中的一種，所述襯底101為n型摻雜、p型摻雜或者半絕緣體，所述襯底101的晶向為各向異性。

作為示例，通過化學氣相沉積方法于所述襯底101的第一表面形成第一絕緣層102，于所述襯底101的第二表面形成第二絕緣層103，所述第一絕緣層102及第二絕緣層103的材料包括sin，厚度范圍為30nm～150nm。

如圖2～圖3所示，接著進行步驟2)，于所述第一絕緣層102中打開窗口104，基于所述窗口104對所述襯底101進行濕法腐蝕直至所述第二絕緣層103，以形成腔體結構105。

優(yōu)選地，步驟2)中，所述窗口104的徑向尺寸為所述襯底101徑向尺寸的1/3～3/4。所述窗口104的尺寸，不能太小，以保證后續(xù)步驟中，腐蝕溶液刻蝕出的襯底101開口尺寸滿足要求，也不能太大，要保證腐蝕后的襯底101有一定承載能力。

對于各向異性的硅襯底101而言，其腐蝕溶劑通常為有機腐蝕劑(如已二胺、聯胺、鄰苯二酚和水等)和無機腐蝕溶劑，優(yōu)選地，步驟2)中，采用無機堿性腐蝕溶劑對所述襯底101進行濕法腐蝕直至所述第二絕緣層103，以形成腔體結構105，所述無機堿性腐蝕溶劑包括koh、naoh、nh4oh中的一種。

進一步地，濕法腐蝕完成后，還包括依次采用丙酮、去離子水和異丙酮對所述襯底101進行清洗的步驟。

如圖4所示，接著進行步驟3)，于所述腔體結構105區(qū)域上的第二絕緣層103中刻蝕出開孔106；

優(yōu)選地，步驟3)中，所述開孔106的直徑范圍為1-5μm。

需要說明的是，所述開孔106尺寸不能太小，避免后續(xù)工藝中，上表面層生長出的石墨烯是連續(xù)的，尺寸不能太大，保證器件在測量工作中，能使流過的氣體或者液體在頂部空隙和底部空洞間形成較大壓力差，提高測量效率。

如圖5所示，然后進行步驟4)，于所述第二絕緣層103上制備金屬電極107；

優(yōu)選地，步驟4)包括：步驟4-1)，于所述第二絕緣層103表面旋涂光刻膠，并曝光形成露出所述第二絕緣層103的金屬電極107圖形；步驟4-2)，通過磁控濺射、熱蒸發(fā)或者激光脈沖沉積方法于所述光刻膠及露出的第二絕緣層103表面沉積金屬層；步驟4-3)，剝離所述光刻膠及光刻膠上的金屬層，形成金屬電極107。

優(yōu)選地，步驟4-1)旋涂光刻膠前，先將所述第一絕緣層102粘合于一完整表面上，然后于所述第二絕緣層103表面旋涂光刻膠。

優(yōu)選地，所述金屬電極107包括過渡金屬層1071及電極金屬層1072，所述過渡金屬層1071包括ge、ni、pt中的一種，厚度范圍為10nm～20nm，所述電極金屬層1072包括au、pt中的一種，厚度范圍為50nm～70nm。

優(yōu)選地，在旋涂光刻膠之前，需要對襯底101表面進行標準的rca工藝清洗，以減少襯底101表面的污染，提高金屬電極107與襯底101的接觸。電極層為兩層甚至多層金屬材料，底層的材料為過渡金屬層1071，用于緩和頂部的電極金屬層1072與第二絕緣層103間的晶格失配，提高兩者間的粘合性，可選材料為ge、ni、pt等；上層的電極金屬層1072的材料要便于后續(xù)的與外部電極的連接，可選為au、pt等。所述金屬電極107可通過磁控濺射、熱蒸發(fā)或者激光脈沖沉積方法獲得。

如圖6所示，最后進行步驟5)，于所述腔體結構105表面生長石墨烯層108，所述石墨烯層108與所述腔體結構105內的襯底101表面形成肖特基接觸。

優(yōu)選地，將步驟5)包括：步驟5-1)，采用rca標準清洗工藝清洗所述襯底101；步驟5-2)，將所述襯底101迅速放入到石墨烯生長爐中，通過等離子體增強化學氣相沉積pecvd方法直接在所述腔體結構105表面生長石墨烯層108，所述石墨烯層108與所述腔體結構105內的襯底101表面形成肖特基接觸。

本發(fā)明直接在預設器件襯底101上通過pecvd方法生長石墨烯，可以實現石墨烯類器件的批量制備，提高生產效率。

如圖1～圖6所示，在一個具體的實施過程中，所述石墨烯傳感器的制備方法具體包括如下步驟：

1)提供一p型摻雜的si(100)襯底101，通過化學氣相沉積(cvd)方法在襯底101的上下表面分別生長100-150nm厚的sin層。如圖1所示。

2)在步驟1)后所得襯底101的下表面的sin層上旋涂光刻膠。在自動勻膠機上完成，轉速設置為慢速500rpm，旋轉時間10s，快速4000rpm，旋轉時間為45s，隨后至于烘干機中100℃烘干。所得光刻膠厚度為1-2μm。

步驟2)實施之前，需要對步驟1)后所得的襯底101進行清洗處理。本實施例中采用標準rca工藝清洗所述襯底101。

3)對所述襯底101勻膠并干燥完成后進行光學曝光，將所設計的圖形轉移到光刻膠上。然后將所得襯底101放入顯影液中顯影，采用n2吹干，通過反應離子刻蝕(rie)將暴露的sin層刻蝕掉，再放入60°丙酮中進行除膠處理，所得圖形結構如圖2所示，sin層的窗口104尺寸約為襯底101的1/2～2/3。

4)將步驟3)處理后的襯底101放入koh溶液中，以腐蝕暴露出的si襯底101。koh溶液只對襯底101si(100)面有腐蝕作用。腐蝕完成后，將襯底101分別置入丙酮、去離子水和異丙酮中進行清洗，所得圖形結構如圖3所示。

5)對步驟4)后所得襯底101的上表面的sin層進行涂膠、干燥、紫外曝光(圖形轉移)、顯影和rie刻蝕，再除膠處理，最后分別經過丙酮、去離子水和異丙酮清洗，獲得圖形結構如圖4所示，所得sin層中開孔106尺寸約為1-5um。

本實施例中，由于襯底101底部有開口，會對后續(xù)的旋涂光刻膠和紫外曝光等步驟中襯底101的固定造成困難，可在步驟4)前將襯底101通過粘合劑固定在一個表面光滑的完整表面上，再進行后續(xù)工藝步驟。光刻完成后，將底部的完整表面移除，再進行后續(xù)的除膠和清洗處理，以免污染到樣品。

6)在襯底101上表面的sin層上進行涂膠、干燥、光學曝光和顯影，將金屬電極107的圖形轉移到襯底101上，用磁控濺射方法在襯底101表面分別沉積過渡金屬和電極金屬，最后經過剝離工序，獲得的圖形結構如圖5所示。

本實施例中，本實施例中，選擇cr作為過渡金屬，厚度約為10-20nm，選擇au作為上層的金屬電極107，厚度約為50-70nm。

7)將步驟6)后所得襯底101清洗后迅速放入到石墨烯生長爐中，通過pecvd方法直接在所得襯底101表面生長石墨烯層108。所得石墨烯傳感器器件，如圖6所示。

如圖6所示，本實施例還提供一種石墨烯傳感器，包括：襯底101，所述襯底101的第一表面形成有第一絕緣層102，所述襯底101的第二表面形成有第二絕緣層103，所述第一表面與第二表面為所述襯底101相對的兩個表面，所述第一絕緣層102中打開有窗口104，所述第二絕緣層103中打開有開孔106；腔體結構105，基于所述窗口104去除襯底101材料而成，所述腔體結構105直至所述第二絕緣層103，且露出所述開孔106；金屬電極107，位于所述第二絕緣層103上；石墨烯層108，形成于所述腔體結構105表面，且與所述腔體結構105內的襯底101表面形成肖特基接觸。

作為示例，所述襯底101包括si襯底101、ge襯底101、aln襯底101、sic襯底101、al2o3襯底101、inp襯底101中的一種，所述襯底101為n型摻雜、p型摻雜或者半絕緣體，所述襯底101的晶向為各向異性。

作為示例，所述第一絕緣層102及第二絕緣層103的材料包括sin，厚度范圍為30nm～150nm。

作為示例，所述窗口104的徑向尺寸為所述襯底101徑向尺寸的1/3～3/4。

作為示例，所述開孔106的直徑范圍為1-5μm。

作為示例，所述金屬電極107包括過渡金屬層1071及電極金屬層1072，所述過渡金屬層1071包括ge、ni、pt中的一種，厚度范圍為10nm～20nm，所述電極金屬層1072包括au、pt中的一種，厚度范圍為50nm～70nm。

本實施例還提供一種氣體檢測裝置，所述氣體檢測裝置包含如上所述的石墨烯傳感器。所述氣體檢測裝置所檢測的氣體包括nh3、no2、h2o、cl2和co等，具有快速檢測的特點，且具有較高的靈敏性。

本實施例還提供一種生物檢測裝置，所述生物檢測裝置包含如上所述的石墨烯傳感器。所述生物檢測裝置適用于葡萄糖、乙醇、h2o2、nada等的檢測。

如上所述，本發(fā)明的石墨烯傳感器及其制備方法，具有以下有益效果：

利用標準的光刻工藝，實現金屬圖形化，與傳統(tǒng)的溶液腐蝕獲得圖形化金屬相比，即簡化了工藝，節(jié)約成本，又獲得良好的圖形效果，尤其在微納器件尺寸方面，取得較大突破；預先在襯底上實現金屬圖形化，避免了復雜的金屬圖形化工藝對石墨烯薄膜的污染和破化薄膜連續(xù)性的不良后果。直接在所得襯底上生長石墨烯層，避免了繁瑣的轉移過程，對該類石墨烯器件的批量生產，大規(guī)模應用提供了較好的思路。該類石墨烯傳感器不僅可以用于測量氣體，對小分子的液體也有很好的測量效果。

因此，與其他的石墨烯傳感器制備相比，本發(fā)明工藝簡單，易于操作，不僅降低了成本，高了產品的性能和穩(wěn)定性，也利于企業(yè)的規(guī)模制備。本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。