專利名稱：：一種otft集成傳感器陣列及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器和有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜的OTFT集成傳感器陣列及其制作方法。
背景技術(shù)：
：近年來，氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)及軍事等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的氣體檢測儀器體積大，價(jià)格昂貴，因此發(fā)展具有高性能的微型化、集成化氣體傳感器已勢在必行。隨著MEMS技術(shù)(MicroElectro-MechanicalSystem)的飛速發(fā)展及其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，以有機(jī)薄膜晶體管(Organicthinfilm-transistor,0TFT)為基礎(chǔ)構(gòu)成的化學(xué)傳感器成為傳感器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。同傳統(tǒng)的氣體傳感器相比，基于OTFT結(jié)構(gòu)的氣體傳感器除了具有靈敏度高、可在常溫下使用等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)(1)利用晶體管基本特性將難以檢測的高電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐讬z測的電流變化；(2)可通過適當(dāng)選擇器件的柵極工作電壓來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度；(3)多參數(shù)模式更有利用氣體的識別和分析；(4)通過對有機(jī)物分子的化學(xué)修飾可以方便地調(diào)節(jié)傳感器的電性能，提高靈敏度；(5)有機(jī)物柔韌性好，可以彎曲，易于制成各種形狀；(6)易于集成，可制備大面積傳感器陣列。因此，OTFT氣體傳感器較傳統(tǒng)的氣體傳感器制造成本低，且對微小環(huán)境的研究能力強(qiáng)，便于現(xiàn)場應(yīng)用與攜帶；而利用微電子及微加工技術(shù)，OTFT可以方便地制成陣列，并可以與測量分析系統(tǒng)集成為SOC(Systemonchip)，且集成后陣列系統(tǒng)的尺寸相對也較小。目前將該類傳感器應(yīng)用于各類無機(jī)及有機(jī)氣體檢測已有廣泛報(bào)道。H.Laurs及其小組在1987年制備了基于不同酞箐材料的OTFT器件，并觀察到當(dāng)該器件暴露在氧氣、碘及溴蒸氣中時(shí)其源漏電流呈數(shù)量級增大，這一發(fā)現(xiàn)報(bào)道開創(chuàng)了OTFT器件在氣體傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用先河(H.Laurs,HeilandG.,Electricalandopticalpropertiesofphthalocyaninefilms,ThinSolidFilms,1987,149:129-142)。L.Torsi及其小組在2000年提出OTFT氣體傳感器的多參數(shù)概念，并特別指出OTFT陣列形成多維響應(yīng)模式并用于多種氣體分析的可能性(L.Torsi,A.Dodabalapur,L.Sabbatini,P.G.Zambonin,Multi-parametergassensorsbasedonorganicthin-film-transistors,SensorsandActuatorsB,2000，67:312-316)。M.Bouvet等人貝Ij在2001年在SensorsandActuatorsB上接連發(fā)表了他們以酞箐為敏感層的OTFT臭氧傳感器的研究成果，該研究也充分證明了以O(shè)TFT器件為氣體傳感器的優(yōu)勢所在(M.Bouvet,，A.Leroy,J.Simon,F.Tournilhac,G.Guillaud,P.Lessnick,A.Maillard,S.Spirkovitch,Μ.Debliquy,A.DeHaan,A.Decroly,Detectionandtitrationofozoneusingmetallophthalocyaninebasedfieldeffecttransistors,SensorsandActuators,B,2001,72:86-93)。而B.Crone等人以一系列不同的齊聚物聚噻酚、酞箐及其它有機(jī)半導(dǎo)體為活化敏感材料制備了OTFT傳感器，并將其置于乙醇、酮類、硫醇類、酯類等不同氣體環(huán)境中，得到了對不同氣體的廣譜響應(yīng)(B.Crone,A.Dodabalapur,A.Gelperin,L.Torsi,H.Ε.Katz,Α.J.Lovinger,Ζ.Bao,Electronicsensingofvaporswithorganictransistors,AppliedPhysicsLetters,2001,78(15):2229-2231)。F.Liao及其小組在2005年以并五苯、P3HT和P30T為敏感材料制備了OTFT器件，并用于識別水禾口牛奶(F.Liao,C.Chen,V.Subramanian,OrganicTFTsasgassensorsforelectronicnoseapplications,SensorsandActuatorsB,2005,107:849-855)。2006年Jos印hineB.Chang小組報(bào)道了基于聚噻吩及其衍生物的OTFT器件對丁醇、異丙醇等多種有機(jī)揮發(fā)性氣體的響應(yīng)特性(B.JosephineChang,V.Liu,V.Subramanian,Printablepolythiophenegassensorarrayforlow-costelectronicnoses,JournalofAppliedphysics,100，2006，014506)。國內(nèi)方面，以長春應(yīng)化所、中科院化學(xué)所、清華大學(xué)、北方交通大學(xué)、中電集團(tuán)沈所、吉林大學(xué)和電子科技大學(xué)等為代表的研究單位相繼開展了OTFT的研究工作，但將OTFT應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域的研究則不多。中國科學(xué)院在此方向開展了一些很有意義的工作，在2009年報(bào)道了以酞箐銅納米帶為敏感層制備的OTFT氣體傳感器，該傳感器在室溫條件下對四氫呋喃氣體(THF)表現(xiàn)出良好的響應(yīng)特性，同時(shí)在幾分鐘內(nèi)可恢復(fù)(Y.J.Zhang,W.P.HujField-effecttransistorchemicalsensorsofsinglenanoribbonofcopperphthalocyanine,ScienceinChinaSeriesB:Chemistry,2009，52(6):751-754)。這一結(jié)果表明有機(jī)單晶納米帶OTFT器件可以有效地用于化學(xué)傳感器領(lǐng)域?？傮w而言，國內(nèi)在OTFT氣體傳感器的研究方面與國外相比仍然存在著巨大的差距。目前，OTFT集成傳感器的精度已可以和其它傳統(tǒng)的氣體檢測方式相媲美，陣列化是基于該類傳感器無可比擬的優(yōu)勢，它可以提高檢測精度和選擇性，并實(shí)現(xiàn)多種氣體的定性與定量分析。目前，國際上OTFT傳感器技術(shù)正向著集成化和微型化發(fā)展，將OTFT傳感器陣列與微流控芯片集成制備電子鼻(或電子舌)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在更加復(fù)雜氣體(或液體)環(huán)境中的應(yīng)用。本發(fā)明以有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料為氣敏層來制備OTFT集成傳感器陣列，為OTFT氣體傳感器的研究與應(yīng)用開創(chuàng)新的途徑，該研究目前尚未見報(bào)道，也沒有相關(guān)發(fā)明專利的申請。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種OTFT集成傳感器陣列及其制作方法，該OTFT集成傳感器陣列結(jié)構(gòu)簡單，選擇性好，靈敏度高，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全及軍事等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種OTFT集成傳感器陣列，包括至少集成在同一個(gè)硅基片上四個(gè)以上的OTFT傳感器單元，其特征在于t所述OTFT傳感器單元采用底電極器件構(gòu)型，四個(gè)OTFT傳感器單元共用源極和柵極，并且源極和漏極之間的溝道設(shè)計(jì)為叉指結(jié)構(gòu)；I.源極和漏極為金/鈦雙層膜采用金材料做電極層，鈦材料作為過渡層；+f源極、漏極和柵極三端電極分別通過外引線來實(shí)現(xiàn)OTFT陣列的測試；所述OTFT集成傳感器陣列以有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜為敏感薄膜。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列，其特征在于，共用的源極居中，OTFT傳感器單元上下對齊排列。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列，其特征在于，所述源極和漏極的寬度和長度分別為4000μ和25μ。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列，其特征在于，漏極和源極的厚度為50150nm。上述OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟X采用具有外延層、單晶硅器件層的硅片作為襯底，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；f采用干氧-濕氧-干氧順序的熱氧化方法制備二氧化硅絕緣層；1采用磁控濺射法沉積Ti/Au雙層膜；t.對Ti/Au雙層膜進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠和標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝；直劃片；直封裝采用60μπι硅鋁絲分別在源漏柵三端極引出測試線路，其中背柵極采用導(dǎo)電膠燒結(jié)的方法連接，源漏電極采用壓焊的方法實(shí)現(xiàn)連接；Ξ:采用掩模法對不同OTFT單元實(shí)現(xiàn)定位選區(qū)薄膜沉積，所述薄膜為有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟所述硅片襯底厚度為300-600μm,電阻率小于0.02Ω·cm,外延層厚度為5-15μm,電阻率為2.0到8.0Ω·cm。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟f:二氧化硅介質(zhì)層厚度為80-250nm。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟所述所述有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜的厚度為70-200nm。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟所述有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜中，有機(jī)相為聚苯胺、酞菁絡(luò)合物類或聚噻吩類，無機(jī)相為納米TiO2、ln203、ZnO,SnO2或碳納米管。按照本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，采用氣噴、電噴或真空蒸發(fā)等工藝進(jìn)行有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜的制備。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下特色與優(yōu)點(diǎn)(1)利用OTFT本身特性，將硅片襯底背面直接采取燒結(jié)的方法實(shí)現(xiàn)外引線，避免了在OTFT傳感器集成陣列正面單獨(dú)采用光刻、刻蝕等復(fù)雜的工藝來制備，大大簡化了工藝步驟，提高了器件性能；(OTFT傳感器陣列單元共用源極和柵極，簡化了器件設(shè)計(jì)；而每個(gè)單元各自有一個(gè)單獨(dú)的漏極，可以實(shí)現(xiàn)各自的檢測，提高了OTFT傳感器陣列單元的可操作性；(3)根據(jù)器件的功能與特點(diǎn)，采取了底柵底電極的結(jié)構(gòu)模式，使得敏感薄膜沉積在器件頂端，增大被檢測氣體與敏感薄膜的接觸面積，提高了OTFT傳感器陣列檢測的靈敏度；(4)采用氣噴、電噴或真空蒸發(fā)等工藝，通過掩模法在OTFT傳感器陣列單元上進(jìn)行選區(qū)沉積敏感薄膜，從而實(shí)現(xiàn)對不同氣體的測量。(以無機(jī)納米粒子為“反應(yīng)核”，采用不同的有機(jī)單體制備具有不同靈敏度的有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料，利用其交叉敏感特性，結(jié)合集成式OTFT器件陣列設(shè)計(jì)，形成具有不同敏感薄膜的OTFT傳感器集成陣列，可提高OTFT單元器件的選擇性和穩(wěn)定性。(6)將OTFT傳感器集成陣列的多參數(shù)模式形成足夠規(guī)模的多維響應(yīng)矩陣，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別分析，并結(jié)合OTFT器件載流子的傳輸特性，得到OTFT傳感器特性參數(shù)與被測氣體間的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制。該模式將改變國內(nèi)外常見的利用單一OTFT器件源漏電流來測試氣體的方法，為OTFT傳感器的檢測與應(yīng)用提供新的思路。本發(fā)明將納米復(fù)合材料、薄膜工藝與MEMS工藝相結(jié)合，簡化了器件制備工藝，提高了器件性能，為OTFT傳感器陣列的制備與應(yīng)用開辟了新的途徑。圖1是本發(fā)明所提供的OTFT集成傳感器陣列(以4個(gè)單元為例進(jìn)行說明，以下同)結(jié)構(gòu)俯視圖2是本發(fā)明所提供的OTFT傳感器陣列一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)截面圖(沿著其中一條溝道方向切割)；圖3是本發(fā)明所提供的源漏電極形狀俯視圖。圖4是本發(fā)明所提供的工藝流程示意圖。其中，1、漏極，2、漏極，3、共源極，4、漏極，5、共柵極，6、漏極。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1和圖2所示，圖1是本發(fā)明所提供的OTFT傳感器陣列結(jié)構(gòu)俯視圖，它包含了集成在同一硅基片上的4個(gè)OTFT單元，采用源漏在底的結(jié)構(gòu)。所有的OTFT單元共用源極(引腳3)和柵極(引腳5)，每個(gè)單元各自有一個(gè)單獨(dú)的漏極(引腳1、2、4和6)。陣列整體的布局采用如圖1所示的共源極居中、單元上下排列，主要是考慮OTFT單元薄膜制備的工藝兼容性問題；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，柵壓對OTFT器件的敏感特性具有調(diào)制作用；因此為了消除這一影響，并簡化OTFT陣列設(shè)計(jì)，所有的單元共用柵極。圖2是本發(fā)明所提供的OTFT傳感器陣列單元結(jié)構(gòu)截面圖，采取η型硅襯底，熱氧化的方法制備絕緣層二氧化硅，金作為電極，鈦?zhàn)鳛檫^渡層，目的是為了增強(qiáng)粘附性，源極、漏極和柵極三端電極分別具有用于測試的外引線。圖3是OTFT源漏電極的圖形設(shè)計(jì)，溝道設(shè)計(jì)為叉指結(jié)構(gòu)，用以增加溝道寬長比，以提高器件的跨導(dǎo)。4個(gè)OTFT溝道的寬和長相同，分別為4000μπι和25ym，這一尺寸的設(shè)計(jì)主要是同時(shí)考慮MEMS制造工藝實(shí)現(xiàn)與OTFT器件的敏感特性兩個(gè)方面。本發(fā)明利用OTFT傳感器陣列結(jié)構(gòu)本身的特性，在硅片襯底直接采用導(dǎo)電膠燒結(jié)的方法引出柵極，大大簡化了制備工序，并提高了器件的性能。下面結(jié)合工藝流程示意圖(圖4，包括截面圖和俯視圖)說明本發(fā)明的制作實(shí)施例(1)采用具有外延層、單晶硅器件層的硅片作為襯底，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗(如圖如所示)；(2)采用干氧-濕氧-干氧順序的熱氧化方法制備絕緣層二氧化硅(如圖4b所示)；(3)采用磁控濺射法沉積Ti金屬薄膜，作為過渡層(如圖如所示)；(4)采用磁控濺射法沉積Au金屬薄膜，作為源漏電極金屬(如圖4d所示)；(5)對Ti/Au雙層膜進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠和標(biāo)準(zhǔn)清洗等工藝，其中刻蝕包括刻蝕薄膜金層(圖4e)和刻蝕薄膜鈦層(圖4f)；(6)劃片；(7)封裝采用60μπι硅鋁絲分別在源極、漏極和柵極三端極引出測試線路，其中背柵極采用導(dǎo)電膠燒結(jié)的方法連接，源漏電極采用壓焊的方法實(shí)現(xiàn)連接(如圖4g所示)；(8)采用氣噴、電噴或真空蒸發(fā)等工藝，通過掩模法對不同OTFT單元實(shí)現(xiàn)定位選區(qū)薄膜沉積(如圖4h所示)。上述方法中，其中步驟(8)，制備有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜作為敏感層時(shí)，可選擇聚苯胺、酞菁絡(luò)合物類、聚噻吩類等為有機(jī)相，納米Ti02、In203、Zn0、Sr^2或碳納米管等為無機(jī)相；通過化學(xué)氧化聚合法制備有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料，即以無機(jī)納米粒子為核進(jìn)行有機(jī)聚合物的聚合反應(yīng)在無機(jī)納米粒子存在的情況下，納米粒子首先在聚合物單體中均勻分散，再在氧化劑的作用下引發(fā)單體進(jìn)行聚合，聚合物圍繞無機(jī)納米粒子進(jìn)行受限生長，繼而形成有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合材料。權(quán)利要求1.一種OTFT集成傳感器陣列，包括至少集成在同一個(gè)硅基片上四個(gè)以上的OTFT傳感器單元，其特征在于X所述OTFT傳感器單元采用底電極器件構(gòu)型，四個(gè)OTFT傳感器單元共用源極和柵極，并且源極和漏極之間的溝道設(shè)計(jì)為叉指結(jié)構(gòu)；I源極和漏極為金/鈦雙層膜采用金材料做電極層，鈦材料作為過渡層；..S源極、漏極和柵極三端電極分別通過外引線來實(shí)現(xiàn)OTFT陣列的測試；.1:所述OTFT集成傳感器陣列以有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜為敏感薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OTFT集成傳感器陣列，其特征在于，共用的源極居中，OTFT傳感器單元上下對齊排列。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OTFT集成傳感器陣列，其特征在于，所述源極和漏極的寬度和長度分別為4000μ和25μ。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OTFT集成傳感器陣列，其特征在于，漏極和源極的厚度為50150nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟X采用具有外延層、單晶硅器件層的硅片作為襯底，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；I采用干氧-濕氧-干氧順序的熱氧化方法制備二氧化硅絕緣層；S采用磁控濺射法沉積Ti/Au雙層膜；I,對Ti/Au雙層膜進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠和標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝；1劃片；.3封裝采用60μπι硅鋁絲分別在源漏柵三端極引出測試線路，其中背柵極采用導(dǎo)電膠燒結(jié)的方法連接，源漏電極采用壓焊的方法實(shí)現(xiàn)連接；采用掩模法對不同OTFT單元實(shí)現(xiàn)定位選區(qū)薄膜沉積，所述薄膜為有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟.1.所述硅片襯底厚度為300-600μm,電阻率小于0.02Ω·cm,外延層厚度為5-15μm,電阻率為2.0到8.0Ω·cm。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟5二氧化硅介質(zhì)層厚度為80-250nm。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟::所述所述有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜的厚度為70-200nm。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，其中步驟.所述有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜中，有機(jī)相為聚苯胺、酞菁絡(luò)合物類或聚噻吩類，無機(jī)相為納米TiO2、ln203、ZnO,SnO2或碳納米管。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的OTFT集成傳感器陣列的制備方法，其特征在于，采用氣噴、電噴或真空蒸發(fā)工藝進(jìn)行有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜的制備。全文摘要本發(fā)明公開了一種OTFT集成傳感器陣列，包括至少集成在同一個(gè)硅基片上四個(gè)以上的OTFT傳感器單元，其特征在于①所述OTFT傳感器單元采用底電極器件構(gòu)型，四個(gè)OTFT傳感器單元共用源極和柵極，并且源極和漏極之間的溝道設(shè)計(jì)為叉指結(jié)構(gòu)；②源極和漏極為金/鈦雙層膜采用金材料做電極層，鈦材料作為過渡層；③源極、漏極和柵極三端電極分別通過外引線來實(shí)現(xiàn)OTFT陣列的測試；④所述OTFT集成傳感器陣列以有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合薄膜為敏感薄膜。該OTFT集成傳感器陣列結(jié)構(gòu)簡單，選擇性好，靈敏度高，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全及軍事等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。文檔編號G01N27/00GK102435634SQ20111035942公開日2012年5月2日申請日期2011年11月14日優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日發(fā)明者嚴(yán)劍飛,太惠玲,張波,李嫻,蔣亞東申請人:電子科技大學(xué)