一种硅针阵列制备方法以及一种消杀因子发生装置

技术领域

本发明属于空气消毒净化技术领域，特别涉及一种硅针阵列制备方法以及一种消杀因子发生装置。

背景技术

纳米水离子发生技术是当前新兴的空气消杀技术，其核心是利用针状电极产生消杀因子。针状电极一般采用单根金属针，高强电场区域的有效体积小，限制放电效率，引起消杀因子发生效率低；在高电压和高湿度的环境下，金属针表面面临腐蚀失效等问题，影响消杀因子发生的效率及稳定性。

目前，基于微机电系统（MEMS）的硅微针阵列技术研究在多行业都有广泛应用，已逐渐成为研究热点。MEMS硅微针阵列通常在长度或直径等维度具有微米级的几何结构，其针尖尖端具有电场增强和畸变效果，是高压放电系统中性能优异的电极材料。硅微针阵列的制备方法一般分为两个步骤：一是制备掩膜图案；二是单晶硅结构刻蚀。掩膜图案的制备方法比较复杂，现有技术一般采用光刻来制备所需图形，经过保护层生长、制备掩模版、光刻胶旋涂、曝光、图形转移、光刻、腐蚀、去掉保护膜等工艺部份，暴露出需要腐蚀的部分，如专利CN106730309A以二氧化硅为掩膜层，专利CN112807561A以二氧化硅或氮化硅为掩膜层，专利CN112221010A利用金属层作为硅针刻蚀的掩膜；也可以采用微米孔模板作为掩膜图案，如氧化铝（AAO）模板。在掩膜图案的保护下，单晶硅结构可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀得到。干法刻蚀包括深离子反应刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀等工艺，往往需要昂贵的大型精密设备，刻蚀时间长、成本高，也会带来一定程度的环境污染问题；湿法刻蚀方法则具有腐蚀过程迅速、成本低等优点，尤其适用于高深宽比的硅微结构制备，只需严格控制工艺参数，就可以获得高精度的硅微针阵列。然而，现存硅微针阵列结构制备方法，其掩膜图案制备工艺步骤复杂、成本高昂、工艺周期长，急需突破工艺复杂的掩膜制备，采用成本低、效果佳的湿法刻蚀工艺，更符合消杀因子发生技术对微针电极阵列及其加工方法的需求。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提出一种硅针阵列制备方法以及一种消杀因子发生装置，其中一种硅针阵列制备方法，包括以下步骤：

在硅基材的顶面和底面分别制备一层电连接层；

采用机械切割在顶面的电连接层上切割出掩膜图案，同时采用机械切割在硅基材上切割出硅微柱阵列；

采用湿法刻蚀对硅微柱进行刻蚀，得到硅微针阵列。

进一步的，制备电连接层层时采用电镀或化学镀或印刷或喷涂或蒸发或溅射方法沉积到硅基材上。

进一步的，进行湿法刻蚀时采用多元混酸或碱溶液对硅微柱进行0.5~60分钟的刻蚀所述多元混酸为纯乙酸：浓度98%的硝酸：浓度40%的氢氟酸按体积比为0~3：1~5：0.5~5配置的溶液；所述碱溶液为按质量百分数20％~40％的氢氧化钾或氢氧化四铵的水溶液或醇溶液；本发明采用金薄膜作为掩膜，以湿法刻蚀方法得到深宽比高的硅微针阵列。

进一步的，硅基材的直径为3~12英寸，其厚度为300μm~5mm，制得的硅微针阵列的深宽比最大为25；所述硅基材为不掺杂或掺杂为N型或P型，其电阻率为1×10

进一步的，机械切割时将硅微柱进行特定形状的切割，腐蚀后硅微针为圆锥型或多棱锥型或多级的圆锥型或多棱锥型，硅微针的高度为100μm~2.8mm，针尖顶端宽度为5μm~200μm。

本发明还提出一种消杀因子发生装置，包括与高压装置连接的放电电极组件，所述放电电极组件包括相对设置的硅针阵列电极与金属板电极，所述硅针阵列电极包括硅基板，所述硅基板的一侧为前述任一项制备的硅针阵列，另一侧设有半导体制冷片，所述半导体制冷片的制冷端与硅基板相贴，半导体制冷片的制热端设有散热器；本发明以该硅针阵列为电极，可以增强高强电场的有效体积，提高消杀因子的制备效率，为空气消杀设备提供技术基础。

进一步的，所述放电电极组件设于带有空气流通通道的腔体中，所述放电电极组件设于所述空气流通通道内，所述空气流通通道内中还设有温湿度传感器、臭氧浓度传感器；所述腔体内还设有控制器，所述高压装置、温湿度传感器、臭氧浓度传感器、半导体制冷片均与控制器连接。

进一步的，所述空气流通通道的一侧设有风扇。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中高效空气消杀因子发生装置，通过制冷片使硅针阵列电极处于低温状态，环境中的水分直接凝结在电极上，通过在电极之间施加直流高压，形成局部增强的高效静电场。高强度电场对硅针阵列捕捉到的、空气中的液滴连续相进行静电离化，产生被荷电液滴包裹的、以氧自由基为主的活性基团，在静电力、液滴表面张力和内部粘滞阻力的协同作用下，液滴无法保持稳定状态，反复分解、破碎后形成带电的、裹挟活性基团的纳米级液滴，即消毒因子；采用硅针阵列电极，可以提高高强电场的有效体积，并利于水分凝结，最大程度避免在无水条件下直接电离空气产生臭氧。

2、本发明中的硅针阵列电极，利用硅基材上的电连接层作为掩膜，采用机械切割方式加工掩膜图案，无需单独制备掩膜，不依赖昂贵的大型设备，加工成本低、工艺周期短、尺寸稳定性好，可以实现硅微针阵列的晶圆级制备，可满足小批量试制和大批量量产，具有良好的经济效益。

3、本发明中制得的硅微针阵列，其深宽比最大可以达到25，作为电极，可以提高高强电场的有效体积。硅微针阵列作为活性物质产生的核心部组件，应用于空气消杀装置，可大幅提高有害微生物消杀效率，对生命安全防护有重要意义。

附图说明

图1是本发明中制备的金属-硅-金属三明治结构示意图；

图2是本发明中机械切割后的硅柱阵列示意图；

图3是本发明中经过机械切割后的图2的俯视图；

图4是本发明中圆锥形硅微针阵列示意图；

图5是本发明中三棱锥形圆锥形硅微针阵列示意图；

图6是本发明中两种硅微针形状的示意图；

图7为本发明中高效空气消杀因子发生装置的放电电极组件示意图；

其中，1-顶面电连接层；2-底面电连接层；3-硅晶圆；4-硅微柱阵列；5-硅微针；6-硅针阵列电极；7-金属板电极；8-半导体制冷片；9-散热器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种硅针阵列制备方法，具体包括以下步骤：

在硅基材的顶面和底面分别制备一层电连接层；

采用机械切割在顶面的电连接层上切割出掩膜图案，同时采用机械切割在硅基材上切割出硅微柱阵列；

采用湿法刻蚀对硅微柱进行刻蚀，得到硅微针阵列。

现有技术制备硅微针基板的制备方法，其核心是掩模图形的制备，掩膜层可以是使用PECVD沉积方法、热氧化法等方法制备的氧化物、氮化物，也可以是溅射的金属层，其工艺包括保护膜生长、制备掩模版、旋涂光刻胶、曝光、图形转移去掉保护膜等步骤，十分复杂。本发明提出的掩膜制备方法，是在硅基板表面溅射完整的金属层，无需进行掩模版制备、光刻、去胶等工艺步骤，利用机械切割方法，形成阵列化的、多边形的金属掩膜图案，在湿法刻蚀过程中，没有金属掩膜图案保护的硅基板会被持续腐蚀，形成沟道，腐蚀液会进一步从沟道侧壁侵蚀金属掩膜图案下的硅基板，最终在掩膜图案正下方形成硅针结构。此时，硅针结构顶部的面积持续减少，与顶部掩膜图案的接触面积也随之减少，结合力下降，掩膜图案自动脱落。

另外，由于采用机械切割的方式容易对硅材料产生损伤，本领域技术人员不容易想到采用机械切割的方式切割形成硅柱，本申请采用机械切割获取掩膜图案，不需要对金属膜涂覆光刻胶，并且在腐蚀液腐蚀出相应形状之后，金属层自动脱落，不需要进一步对光刻胶进行清洗，大大缩短工艺流程，节约工艺成本。

在本实施例中可以选择3-12英寸直径的硅晶圆，其晶向可为<100>、<110>或<111>等，不掺杂或掺杂为N型或P型，其电阻率可在1×10

在硅基材的顶面和底面制备的电连接层为5nm-1μm厚度的金属薄膜，该金属薄膜作为掩膜或者电连接层，使得硅晶圆和电连接层形成金属-硅-金属三明治结构。

本发明湿法刻蚀形成的硅针阵列为5mm×5mm的单元，单元上的硅阵列的数量≥2个×2个，单个硅针针尖顶端直径为5μm-200μm，高度为100μm-2.8mm。

实施例1

在本实施例中给出一种硅针阵列的具体制备方法，制备过程主要包括以下四个步骤：

（1）取4英寸直径的硅晶圆3，其晶向为<100>，掺杂P型，其电阻率为1×10

（2）在硅晶圆的顶面和底面均溅射沉积电连接层，其中电连接层包括两种金属，与硅晶圆接触的一侧为5nm厚度的金属铬，另外一层与空气接触的一层为20nm厚度的金薄膜；形成如图1所示的金属-硅-金属的三明治结构。

（3）以顶面电连接层1作为掩膜，对其进行机械切割，切割出掩膜图案，如图2~3所示，同时在硅晶圆顶面分别切割水平方向和竖直方向的槽的阵列，槽宽700μm，槽与槽之间等距间隔为600μm，槽深为1.5mm，得到截面为600μm×600μm的正方形，高度为1.5mm的硅微柱阵列4。

（4）采用湿法刻蚀，以顶面电连接层1为掩膜，通过体积比为3：1：1的乙酸、硝酸和氢氟酸溶液，对硅微柱进行5分钟的湿法刻蚀，即可得到硅微针阵列；如图5所示，得到硅微针5的形状为圆锥型，针尖顶端直径为150μm，高度为1.2mm。将整片晶圆分割成5mm×5mm的单元，单元内硅针阵列的数量约为4个×4个。

另外，本实施例中的硅微针也可制作为多棱锥型或多级的圆锥型或多棱锥型，如图6所示，得到的硅微针阵列可以作为空气消杀装置的电极使用。

实施例2

本实施例给出另一种硅针阵列的具体制备方法，制备过程主要包括以下四个步骤：

（1）取6英寸直径的硅晶圆，其晶向可为<100>，掺杂为N型，其电阻率为1

（2）在步骤硅晶圆的上表面和下表面分别喷涂5nm和20nm厚的电连接层，电连接层包括两层，外层，即与空气接触的一侧为金属铬；内层，即与硅晶圆接触的一侧，为金薄膜，形成金属-硅-金属三明治结构。

（3）两个电连接层均作为掩膜，采用机械切割出掩膜图案，同时在硅晶圆上表面和下表面均分别切割水平方向和竖直方向的槽的阵列，槽深均为2mm，槽宽度500μm，间隔500μm，得到双面的、截面尺寸为500μm×500μm、高度为2mm的硅微柱阵列。

（4）采用湿法刻蚀，通过质量百分数为30％的氢氧化钾溶液对硅微柱阵列进行5分钟的湿法刻蚀，即可得到双面的硅微针阵列电极，得到的硅微针阵列，其单根硅针针尖顶端直径为100μm，高度为1.1mm。

本实施例中，可以将晶圆级的硅微针阵列分裂为10mm×10mm的单元，单元上的硅阵列的数量约为10个×10个。该双面硅针阵列单元可以用作空气消杀装置的中间电极。

实施例3

本实施例中给出基于实施例1或者实施例2制备的硅针阵列，给出一种消杀因子发生装置。

如图7，一种高效空气消杀因子发生装置，包括与高压装置连接的放电电极组件，放电电极组件包括相对设置的硅针阵列电极6与金属板电极7，硅针阵列电极6包括硅基板，硅基板的一侧设置有多个阵列分布的硅微针，另一侧安装有半导体制冷片8，半导体制冷片8的制冷端与硅基板相贴，半导体制冷片8的制热端安装有散热器9；硅针阵列电极6在半导体制冷片8的作用下降低温度，环境空气中的水分凝结在硅微针，硅微针与金属板电极7之间形成局部高强静电场，使硅微针与金属板电极7之间的水与空气静电离化，产生带电的、裹挟活性基团的纳米级液滴。

本实施例中，放电电极组件安装在带有空气流通通道的腔体中，放电电极组件安装在空气流通通道内，空气流通通道内中还安装有温湿度传感器、臭氧浓度传感器；腔体内还安装有控制器，高压装置、温湿度传感器、臭氧浓度传感器、半导体制冷片8均与控制器连接。温湿度传感器、臭氧浓度传感器获取空气流通通道的温度、湿度、臭氧浓度数据，控制器根据获得的数据调整半导体制冷片8及放电电极组件的工作参数，使发生装置处于最佳工作状态。空气流通通道的一侧安装有风扇，用于加速空气流动，扩散活性基团。

本实施例中，硅针阵列电极6的制备方法按实施例1或者实施例2中的方法制备，硅微针的形状可为圆锥型或多棱锥型或多级的圆锥型或多棱锥型，硅微针的高度为100μm~2.8mm，针尖顶端宽度为5μm~200μm。

实施例4

本实施在实施例3的基础上给出一种多出气口的消杀因子发生器结构，该结构与实施例3相比，包括多个出气口和一个进风口，每个出气口处设置有一个放电电极组件，通过放电电极组件制备的消杀因子生成后，从每个出风口分别流通，这样可以根据每个出风口的位置、方向控制消杀生成方向，另外设置多个通风口可以有效对生成的消杀因子进行风流，加快流通速度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。