一种基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器的制备工艺的制作方法

本发明涉及一种石墨烯谐振式气体传感器，特别涉及一种基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器的制备工艺。

背景技术：

随着科学技术的发展和工艺规模逐渐扩大，在生产中使用和生产过程中产生的有害气体种类和数量也不断提高，致使大气污染日益严重，造成严重的环境问题，对人类生存造成了极大威胁，实时地对各种有毒、有害及可燃性气体进行监测是极为必要的。

传统的谐振式气体传感器属于二次敏感原理，即通过涂在谐振梁表面的一层敏感物质对特定的被测气体分子的吸附作用，使得梁的质量发生变化，从而引起了谐振梁固有频率的变化。谐振梁需要在附加催化剂和敏感物质的质量条件下进行振动，导致谐振器的能量耗损大和敏感性低等问题，由于催化剂和谐振梁之间是通过非化学键连接的，接触不牢靠，所以谐振器中也存在质量差和重复利用率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的正是基于传统谐振式气体传感器附加催化剂与谐振梁间连接不牢靠的问题，提出了一种基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器的制备工艺。

本发明是通过以下技术措施构成的技术方案实现的。

本发明提出的一种基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器的制备工艺，包括以下步骤：

步骤1：使用无水乙醇和去离子水依次对si基板表面进行超声清洗。

步骤2：在si基板上面旋涂ppa，采用纳米3d结构直写机在ppa上刻蚀出一个矩形槽。通过电子束蒸镀ebe技术在上述矩形槽内先沉积一层ti材料，再沉积一层au-pt合金材料，沉积完成后，利用纳米3d结构直写机去除掉剩余的ppa，得到的金属块作为栅极金属电极。

步骤3：在si基板表面通过化学气相沉积cvd方法沉积一层sio2介质层，将栅极金属电极完全包裹在sio2介质层的里面。

步骤4：通过化学气相沉积cvd方法制备出单层的石墨烯薄膜，采用聚焦离子束fib在石墨烯薄膜的中间位置刻蚀出一个纳米孔。通过电子束蒸镀ebe方法在纳米孔中填充一层金属材料，放入保温炉中处理使之在石墨烯薄膜中形成一层二维金属薄膜。最后通过聚焦离子束fib切割出所需要的石墨烯谐振梁尺寸，其中二维金属薄膜位于石墨烯谐振梁的中心位置。

步骤5：通过湿法转移的方法将石墨烯谐振梁转移到步骤3所制备的sio2介质层上面，使石墨烯谐振梁中的二维金属薄膜正好位于栅极金属电极的正上方，石墨烯谐振梁的两端并相对于栅极金属电极对称。

步骤6：在步骤5所得器件的上面旋涂ppa，采用纳米3d结构直写机在ppa上刻蚀出两个大小相同的矩形槽。通过电子束蒸镀ebe方法在上述矩形槽内先沉积一层ti材料，再沉积一层au-pt合金材料，最后利用纳米3d结构直写机去除掉剩余的ppa，得到的两个金属块依次作为源极金属电极和漏极金属电极。

步骤7：在步骤6所得器件上面再次旋涂ppa，采用纳米3d结构直写机在ppa上刻蚀出一个矩形槽。

步骤8：在常温下，将步骤7所得器件放入氢氟酸hf溶液中，腐蚀上述矩形槽底部的sio2介质层形成谐振沟道。最后将所得器件从氢氟酸hf溶液中打捞出来，在清水中清洗干净，通过纳米3d结构直写机将所得器件上剩余的直写胶ppa去除掉。

步骤9：制备掩膜板，利用光刻处理，刻蚀出栅极金属电极的一端，并刻蚀掉其上方的sio2介质层。

步骤10：在石墨烯谐振梁的二维金属薄膜上修饰聚合物涂层，得到基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器。

步骤1中：超声功率为：30～45w,清洗的时间为：3～5分钟。

步骤2中：ppa类型为：聚苯二醛，粘度为：3cp，旋涂机的转速为：3000～7000r/min，旋涂时间为：15s，最终达到的效果为：ppa的厚度200nm；矩形槽的位置：ppa的中间位置；矩形槽的深度为：200nm，长度为：1000nm，宽度为：500nm；沉积的ti材料厚度为：100nm，沉积的au-pt合金材料的厚度为：100nm。

步骤3中：sio2介质层的厚度为600nm。

步骤4中：单层石墨烯薄膜的尺寸应大于等于5000nm×5000nm；纳米孔的直径为：5～20nm；填充的材料为：au或pt材料；保温炉的温度：1200℃，处理时间为30s；石墨烯谐振梁的长度为2500～3000nm，宽度为500nm。

步骤6中：ppa的粘度为：5cp，旋涂机的转速为：1000～2000r/min，旋涂时间为：30s，最终达到的效果为：ppa的厚度为：1000nm；两个矩形槽的位置：分别与石墨烯谐振梁的一端接触，并相对于栅极金属电极对称，两矩形槽相邻边的距离为：1000～2000nm；矩形槽的深度为：1000nm，长度为：1000nm，宽度为：1000nm；沉积ti的厚度为：200nm，沉积au-pt合金材料的厚度为：800nm。

步骤7中：ppa的粘度为：3cp，旋涂机的转速为：3000～7000r/min，旋涂时间为：15s，最终达到的效果为：ppa厚度为：200nm；矩形槽的位置：源极金属电极和漏极金属电极的中间位置，并且与石墨烯谐振梁中心对齐；矩形槽的深度为：200nm，长度为：比源极金属电极和漏极金属电极的间距小100nm，宽度为：1000nm。

步骤8中：氢氟酸hf溶液的浓度为：15％，腐蚀时间为：2～4小时。最终的效果为：sio2介质层被腐蚀的厚度为：100～200nm。故谐振沟道的深度为：100～200nm，沟道长度为：比源极金属电极和漏极金属电极的间距小100nm，宽度为：1000nm。

步骤9中：掩膜板为回字型掩膜板，厚度为1000nm，其中包含一个矩形槽，矩形槽的长度为：谐振沟道长度，宽度为：300nm，深度为：1000nm；矩形槽的位置：宽度方向与谐振沟道的宽度方向中心对称，长边与石墨烯谐振梁(6)的一条临边重叠；最终，栅极金属电极(3)暴露出来的长度为250nm。

步骤10中：聚合物涂层为聚苯乙烯

将本发明制备的基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器用于气体的检测的用途，即用于检测丙酮的用途。

本发明的有益效果为：

由于石墨烯具有巨大的比表面积，在谐振器气体传感器方面具有广泛的应用前景，本文提出了一种基于二维金属薄膜的石墨烯谐振式气体传感器。相比于在石墨烯谐振梁上面沉积一层敏感物质，通过将敏感物质镶嵌进石墨烯薄膜中，使之通过键的连接，让敏感物质与石墨烯谐振梁的接触更牢固，从而改善了石墨烯谐振式气体传感器的质量。

附图说明

图1在si基板旋涂ppa的结构示意图。

图2栅极金属电极制备的结构示意图。

图3si基板上沉积sio2介质层的结构示意图。

图4石墨烯薄膜中纳米孔制备的结构示意图。

图5石墨烯谐振梁制备的结构示意图。

图6石墨烯谐振梁转移的结构示意图。

图7在sio2介质层上旋涂ppa的结构示意图。

图8源极金属电极和漏极金属电极制备的结构示意图

图9石墨烯谐振器沟道两端旋涂ppa的结构示意图。

图10hf溶液腐蚀后的结构示意图。

图11掩膜板覆盖的结构示意图。

图12石墨烯谐振器器件曝光后的结构示意图。

图13涂有聚合物涂层的结构示意图。

图中：1-si基板；2-ppa；3-栅极金属电极；4-sio2介质层；5-石墨烯薄膜；6-石墨烯谐振梁；7-二维金属薄膜；8-漏极金属电极；9-源极金属电极；10-掩膜板；11-聚合物涂层。

具体实施方法

下面通过具体实施实例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅仅限于所述的实施例。

实施例1：

步骤1：使用无水乙醇和去离子水依次对si基板1表面进行超声清洗，其中：超声功率为：30～45w,清洗的时间为：3～5分钟。

步骤2：在si基板1表面旋涂厚度为200nm的ppa2，ppa2的类型为：聚苯二醛，粘度为：3cp，旋涂机的转速为：4500r/min，旋涂时间为：15s。采用纳米3d结构直写机在ppa上刻蚀出一个矩形槽，矩形槽的位置：ppa2的中间位置，矩形槽的深度为：200nm，长度为：1000nm，宽度为：500nm，如图1所示。通过电子束蒸镀ebe方法在上述矩形槽内先沉积一层厚度为100nm的ti材料，再沉积一层厚度为100nm的au-pt合金材料，沉积完成后，利用纳米3d结构直写机去除掉剩余的ppa2，得到的金属块作为栅极金属电极3，如图2所示。

步骤3：在si基板1表面通过化学气相沉积cvd方法沉积一层厚度为600nm的sio2介质层4，将栅极金属电极3完全包裹在sio2介质层4的里面，如图3所示。

步骤4：通过化学气相沉积cvd方法制备出单层的石墨烯薄膜5，石墨烯薄膜的尺寸为：5000nm×5000nm，采用聚焦离子束fib在石墨烯薄膜5的中间位置刻蚀出一个直径为10nm的纳米孔，如图4所示。通过电子束蒸镀ebe方法在纳米孔中填充一层au材料，放入1200℃的保温炉中处理30s使之在石墨烯薄膜中形成一层二维金属薄膜7。最后通过聚焦离子束fib切割出所需要的石墨烯谐振梁6尺寸，石墨烯谐振梁6的长度为2500nm，宽度为500nm，其中二维金属薄膜7位于石墨烯谐振梁6的中心位置，如图5所示。

步骤5：通过湿法转移的方法将石墨烯谐振梁6转移到步骤3所制备的sio2介质层4表面，使石墨烯谐振梁6中的二维金属薄膜7正好位于栅极金属电极(3)的正上方，石墨烯谐振梁的两端并相对于栅极金属电极3两边对称，如图6所示。

步骤6：在步骤5所得器件的上面旋涂厚度为1000nm的ppa，ppa的粘度为：5cp，旋涂机的转速为：1500r/min，旋涂时间为：30s。采用纳米3d结构直写机在ppa上刻蚀出两个大小相同的矩形槽，两个矩形槽的位置：分别与石墨烯谐振梁的一端接触，并相对于栅极金属电极对称，两矩形槽相邻边的距离为：1000nm，矩形槽的深度为：1000nm，长度为：1000nm，宽度为：1000nm，如图7所示。通过电子束蒸镀ebe方法在上述矩形槽内先沉积一层厚度为200nm的ti材料，再沉积一层厚度为800nm的au-pt合金材料，最后利用纳米3d结构直写机去除掉剩余的ppa，得到的两个金属块依次作为源极金属电极9和漏极金属电极8，如图8所示。

步骤7：在步骤6所得器件上面再次旋涂厚度为200nm的ppa，ppa的粘度为：3cp，旋涂机的转速为：4500r/min，旋涂时间为：15s。采用纳米3d结构直写机在石墨烯谐振梁上面的ppa上刻蚀出一个矩形槽，矩形槽的位置：源极金属电极和漏极金属电极的中间位置，并且与石墨烯谐振梁中心对齐；矩形槽的深度为：200nm，长度为：900nm，宽度为：1000nm，如图9所示。

步骤8：在常温下，将步骤7所述器件放入浓度为15％的氢氟酸hf溶液中，腐蚀上述矩形槽底部的sio2介质层4形成谐振沟道，腐蚀2个小时，腐蚀掉的sio2介质层(4)厚度为：100nm，最终效果：谐振沟道的深度为：100nm，沟道长度为：900nm，宽度为：1000nm，如图10所示。最后将所得器件从氢氟酸hf溶液中打捞出来，在清水中清洗干净，通过纳米3d结构直写机将所得器件上剩余的ppa去除掉。

步骤9：如图11所示，制备回字型的掩膜板10，厚度为1000nm，其中包含一个矩形槽，矩形槽的长度为：900nm，宽度为：300nm，深度为：1000nm；矩形槽的位置：宽度方向与谐振沟道的宽度方向中心对称，长边与石墨烯谐振梁6的一条临边重叠；利用光刻处理，刻蚀出栅极金属电极3的一端，长度为：250nm，并刻蚀掉其上方的sio2介质层4，如图12所示。

步骤10：在石墨烯谐振梁6的二维金属薄膜7上修饰聚苯乙烯材料，如图13所示，得到了用于检测丙酮气体的石墨烯谐振式气体传感器的制备。

步骤11：根据专利cn104076199b提出的一种检测谐振频率的方法及装置，检测本发明在目标环境中谐振频率的变化，最终得到环境中丙酮气体的含量。

首先将石墨烯谐振式气体传感器接入llc电路中确定扫频范围为：100～500mhz，然后通过电压获取单元获取该谐振式气体传感器在扫频范围100～500mhz内的不同频率下的电压，接着计算判断单元对电压获取单元获得的电压进行判断，最后通过谐振频率确定单元确定该谐振式气体传感器的谐振频率。由于本发明的谐振式气体传感器在标准的电压条件下谐振频率是线性变化的，故可通过谐振频率的数值来判断丙酮气体的含量。在真空中谐振频率为495.31mhz，在充满丙酮气体环境下的谐振频率为257.4mhz，若在环境中检测到此时的谐振频率为q，则此时环境中丙酮气体的含量为：