碳纳米管基传感器跨尺度集成制造技术

碳纳米管因其独特的功能特性成为各类传感器提升敏感能力的利器，以表面修饰电极、敏感电阻器(包括场效应管）和场离化电极为代表的碳管增强传感器展现出独特的性能优势和实用化前景，但是如何将碳管有效集成融入传感器件，并确保其与各类电极间的可靠结合，仍然是困扰这类传感器规模化制造的关键技术难题。本项目提出了一种借助非硅微加工工艺实现碳管纵向互连集成制造的新方法，结合碳纳米管植布工艺和碳纳米管阵列生长技术，该方法不但能够确保碳纳米管与电极间可靠结合，而且可以通过器件结构多通道化设计在微加工的平台上实现跨纳-微-宏尺度的完全集成制造。此外，该技术的确立还可以从更广泛的层面上解决碳管与金属微结构有效结合的难题，使各种碳纳米管敏感电极的规模化、可重复集成制造成为可能。鉴于此，系统开展基础性制造工艺和基础器件设计技术研究，构建有一定通用性的碳纳米管传感器跨尺度集成制造方法，将有力推动其实用化进程。

碳纳米管因其独特的功能特性成为各类传感器提升敏感能力的利器，许多方面已经展现了独特的性能优势和实用化前景，但是如何将碳管有效集成融入传感器件，并确保其与各类电极间的可靠结合，仍然是困扰这类传感器规模化制造的关键。碳纳米管基传感器需要碳纳米管与导电电极的有效结合，包括电连接与机械结合，都需要稳定牢固。目前碳纳米管与宏观结构的结合方式仅有两种，其一是单端结合，其二是双端结合，这种结合是一种跨尺度结合，至少跨纳微尺度，多数跨宏微纳尺度。常规的碳纳米管集成方式包括：简单涂覆，丝网印刷，直接生长和微操作焊接，其中焊接的性能最为理想，既有牢固机械结合，又能保证电接触稳定性，但是批量集成制造存在困难。本项目开发了聚酰亚胺基碳纳米管集成技术，全金属化碳纳米管集成技术和水玻璃基碳纳米管集成技术。通过可控湿法刻蚀控制聚合物集成中碳纳米管的裸露尺寸和界面状态；采用金属溅射沉积实现碳纳米管与金属牢固结合并反向植入金属电极基底；通过干法刻蚀实现水玻璃基碳纳米管界面活性的提升。初步解决了碳纳米管在各种传感器中规模化应用的跨尺度集成制造难题，形成了常用聚合物，金属和稳定无机物介质与 碳纳米管跨尺度集成的典型技术路线。在此基础上，开展典型单端植入、横向桥接和纵向互连的碳纳米管改性增强传感器设计，开发相应的跨尺度集成制造流程，完成了典型敏感电极原型器件研制和关键特性表征。同时开展了初步的应用探索。其中，核黄素检测敏感电极检出限达到3.5×10-7mol/L；PDP放电单元开启电压对比降低40V；通用电催化修饰电极同体系循环伏安检测峰值电流增幅达到85%，均显示了明显的碳纳米管增强效应，同时全金属化碳纳米管电极可靠性显著提升，多次重复实验，变化率仅为3.88%；上述器件研制，形成了成套共性关键技术组合，为碳纳米管在传感器技术领域产业化应用奠定设计与制造技术基础。