多孔矽在感测器上的应用(2)

2020-02-21 01:00

我們可以由圖三看出多晶多孔矽對有機氣體的靈敏度比圖二多孔矽對有機氣體的靈敏度差了很多,但是多晶多孔矽可以應用於不同的基板上,而矽基多孔矽就只能在矽基板上發揮其功能,這就是為什麼我們還要對多晶多孔矽探討的原因了。

2.4未來的展望

根據以上的研究指出二極體和電阻式氣體感測器都具有很快的反應速度,而且反應時間都少於30秒。是做為氣體感測器最好的候選元件。研究也指出當減少鋁(Al)前感測面積,靈敏度將會幾乎成線性形的增加。然而溫度,光,硝酸鈍化的浸泡,陽極化電流的密度和時間等等參數,都有可能會稍為影響感測器的靈敏度。而現今具有最高靈敏度是金屬氧化感測器,例如:SnO2。而未來可能會朝向整合性的發展,而研究出在多孔矽上最優秀的感測器元件。為人類的科學再踏向一大步的進展。

3. 生物感測器

3.1發展過程

在1980年Caras和Janata提出酵素場效電晶體的應用,而在當時1980~1995

年之間,很多的研究團體都已研究出並且論證出這類的生物感測器,而這些生物感測器的共通特徵都是以有包括酵素的薄膜沉積於FET閘極區域的結構裡,但是唯一的缺點就是薄膜在FET閘極區域結構裡的附著力是微弱且不安定的。而且經常會把酵素過濾出來,然而,一些研究者嘗試在矽基上蝕刻出圓形的孔錐狀,而使酵素劑進入圓形的孔錐狀裡,來克服解決這些微弱且不安定(附著力)的問題。但是如果要蝕刻出圓形的孔錐狀,就必須需要很煩雜的微影過程,才能完這項步驟。

3.2陽極化蝕刻

把硼摻雜的p-type矽(0.2和0.01 ohm cm)

放入1:1(50%的氫氟酸溶夜和50%的純乙酸溶液)混合的溶液中蝕刻,而將會在硼摻雜的p-type矽中獲得65%的多孔率。之後再將硼摻雜的p-type多孔矽放入通入氧氣的高溫氧化爐,並且以500℃的溫度快速熱氧化30分鐘以上,再以酵素劑通入孔洞而形成酵素薄膜,圖一則是呈現被完成的孔狀和酵素薄膜的結構圖。

3.3 反應的機制

生物感測器僅僅是由酵素溶液滴於多孔矽二氧化物的表面而形成的。然後大約滴定30分鐘以後,再使用pH 7.5,0.1M的TRIS(trischydroxymethylaminomethane)沖洗即可,再利用生物感測器來檢測於盤尼西林酵素(enzyme penicillinase)和盤尼西林(penicillin)之間的反應,就可以決定這物質的生物特性。而圖二例子是為研究而組構成的結構圖。

3.4生物感測器的特性曲線

電容-偏壓(V-bias)的曲線將依據電解液的pH值,沿著電壓軸而移動的。而這

裡所指的pH值,是利用酵素(enzyme)和盤尼西林(penicillin)在多孔矽上的化學反應,且引起盤尼西林(penicillin)的水解,使得氫離子脫離,而造成pH值的變化,就可描繪出多孔矽生物感測器上電容-偏壓(V-bias)曲線的關係圖。圖三的典型例子是在p-type多孔矽的材質上,偏壓對盤尼西林(penicillin)濃度所造成的斜率關係圖。

3.5未來的工作

因為二氧化矽(SO2)對pH的靈敏度相較於氮化矽(Si3N4)對pH的靈敏度要低

了很多,所以未來可能會利用化學氣相沉積法,把氮化矽(Si3N4)沉積,並且覆蓋在二氧化矽(SO2)的孔壁中,而增加多孔矽生物感測器之靈敏度。

4. 電熱調節感測器

4.1電熱調節感測器的形成

電熱調節感測器構成的原理,是把濕蝕刻而形成的多孔矽,當作犧牲層,即

而做出microbridge和flow channel。而microbridge和flow channel的構造就是用來做為電熱調節感測器之元件。

4.2 MICROBRIDGE

圖一為microbridge構成的流程圖,而圖一上的材質為摻雜硼p-type <111>、2-inch、6~9歐姆的矽晶圓。(PS:圖三a圖為SEM之microbridge。)

4.2.1製成步驟

a. 分別在p-Si上依序的沉積上氮化矽、多晶矽和塗佈光阻,並且背面鍍鋁和退

火。

b. 對光阻微影,且利用離子蝕刻法移除多晶矽和氮化矽,且在p-Si上形成多孔

矽。

c. 使用稀釋的氫氧化鉀(KOH)把多孔矽移除。

4.3 FLOW CHANNEL

圖二為flow channel構成的流程圖,而圖二上的材質為摻雜硼p-type <111>、

2-inch、0.001歐姆的矽晶圓。(PS:圖三b圖為SEM之flow channel。)

4.3.1製成步驟

a. 在p-Si沉積上n-epi和塗佈光阻,並且背面鍍鋁和退火。

b. 對光阻微影,且利用離子蝕刻法在p-Si和n-epi上形成多孔矽。 c. 使用稀釋的氫氧化鉀(KOH)把多孔矽移除。 d. 完成flow channel之結構圖

4.4熱感測器使用多孔矽的技術

沉積200nm的氮化矽和2um的多晶矽,形成薄膜的結構,再利用離子蝕刻

法,使矽基板上形成80um多孔矽的結構(呈現如圖一),之後再利用稀釋的氫氧化鉀(KOH)移除多孔矽,而在被離子打成稀薄的氮化矽和多晶矽薄膜上,沉積於100nm鎳(nickel)的薄膜,做為電熱調節器的micorbridge(呈現如圖三、C圖)。然而一良好熱響應特性的獲得,是由於基板和薄膜結構距離的差異。(PS:距離越大熱響應越好。)

4.5結論

在氫氟酸中(HF)利用電化學蝕刻的方法,在微結構上多孔矽可以被當成犧

牲層來使用,而利用此技術,可以很容易做出熱感測器的結構,而使現在科技的技術又進入一個更新的領域,更有發揮的空間。

5. 化學感測器 6. 積體感測器 7. MEMS感測器


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