專(zhuān)利名稱(chēng)：一種氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種氣體傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
1975年，I. Lundstr5m首先研制出無(wú)機(jī)氣敏場(chǎng)效應(yīng)管，他在場(chǎng)效應(yīng)管的絕緣柵上 蒸鍍一層鈀膜作為柵電極，利用鈀材料的催化特性實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的微量氫氣的檢測(cè)。此后， 有關(guān)鈀、鉬和聚合物等柵MOS場(chǎng)效應(yīng)型氣體傳感器的報(bào)道相繼出現(xiàn)。隨著對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù) 和特性研究的深入，無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)型氣敏傳感器的質(zhì)量有了很大提高。專(zhuān)利ZL961(^646. 4公 開(kāi)了一種檢測(cè)二氧化氮的LB膜修飾的懸柵場(chǎng)效應(yīng)型氣體傳感器及其制作方法。該發(fā)明設(shè) 計(jì)了一種用單分子膜修飾的懸柵場(chǎng)效應(yīng)型氣體傳感器，膜修飾于整個(gè)管芯，從而達(dá)到氣體 傳感器常溫下工作，靈敏度較高、選擇性好、可以檢測(cè)較低濃度氣體的目的。盡管傳統(tǒng)的無(wú) 機(jī)MOS場(chǎng)效應(yīng)型氣體傳感器靈敏度高，但存在著制作工藝復(fù)雜，制作周期長(zhǎng)和成本很高等 不利的因素。有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)管作為有機(jī)電子的基礎(chǔ)，成為越來(lái)越多研究機(jī)構(gòu)競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā) 的對(duì)象。有機(jī)晶體管由于制備成本低、加工工藝簡(jiǎn)單、選材范圍寬廣、機(jī)械性能柔軟并與大 規(guī)模集成電路相兼容等特點(diǎn)，特別適用于低成本、大面積應(yīng)用的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)外 科學(xué)家的努力下，目前有機(jī)半導(dǎo)體材料的性能已經(jīng)達(dá)到α-Si H的水平，這大大提升了其 在電子領(lǐng)域，諸如有源矩陣液晶顯示、有源矩陣OLED顯示、智能卡、大面積傳感陣列等方面 的應(yīng)用能力。氣體傳感器被廣泛用作在線監(jiān)測(cè)工作場(chǎng)所中的有害氣體，如一氧化碳、甲烷、二氧 化硫、氮氧化物和醛類(lèi)等。有機(jī)薄膜晶體管氣體傳感器作為傳感器的一個(gè)重要分支，集氣體 傳感器高靈敏度、高選擇性和薄膜晶體管器件易于集成化、微型化等優(yōu)點(diǎn)于一體，使它在智 能化、在線、實(shí)時(shí)以至在體分析等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。但是，與有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)管在有源 矩陣液晶顯示等方面的應(yīng)用研究相比，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管氣體傳感器的研究卻十分滯后。因此， 隨著人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量、食品衛(wèi)生的關(guān)注日益增加，開(kāi)展有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管在氣體傳感器中的應(yīng) 用研究是目前有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)管研究中最重要的攻關(guān)課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)，提供一種氣體傳感器及 其制備方法。氣體傳感器，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極4和漏電極5組成，柵絕緣層2上 設(shè)功能層3，源電極4和漏電極5分別連接于功能層3 ；或者源電極4和漏電極5分別連接 于柵絕緣層2，包含兩側(cè)源電極4、漏電極5的部分表面并露出于源電極4和漏電極5之間 的柵絕緣層2上形成有功能層3 ；柵絕緣層2以氟化物為原料，厚度為200-350納米。所述氟化物為氟化鈣、氟化鍶或氟化鋇。所述氟化物為氟化鈣。所述功能層(3)以 P型有機(jī)半導(dǎo)體材料酞菁銅或η型有機(jī)半導(dǎo)體材料1,2, 3,4,8,9,10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-氟取代酞菁銅為原料。制備方法，首先將基片清洗，干燥后待用；將干燥后的基片上在10-4 的真空條 件下蒸鍍柵電極，然后在柵電極上依次蒸鍍柵絕緣層、功能層，而后蒸鍍?cè)措姌O和漏電極。將干燥后的基片上在的真空條件下蒸鍍柵電極，然后在柵電極上依次蒸鍍 柵絕緣層、源電極和漏電極，而后蒸鍍功能層。所述蒸鍍柵電極時(shí)速率為0. 3-0. 5納米/秒，厚度為150-300納米；蒸鍍絕緣層時(shí) 速率為0. 3-0. 6納米/秒，厚度為200-350納米；蒸鍍功能層時(shí)速率為0. 1-0. 3納米/秒， 厚度為150-300納米；蒸鍍?cè)措姌O和漏電極時(shí)速率為0. 5-0. 8納米/秒，源電極和漏電極厚 度分別為150-300納米。所述清洗后的基片干燥的方法為采用氮?dú)獯蹈苫蛘婵崭稍铩Ｔ碛袡C(jī)薄膜晶體管氣體傳感器以功能層的導(dǎo)電聚合物為氣敏材料，在工作時(shí) 氣體傳感器吸附的氣體與高分子半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)相互作用導(dǎo)致器 件飽和源漏電流(或者功能層導(dǎo)電聚合物材料的場(chǎng)效應(yīng)遷移率)的變化而得知檢測(cè)氣體分 子存在的信息。本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用有機(jī)半導(dǎo)體材料取代無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料作為器件的功能層，并采用氟化 物作為器件的絕緣層，制備了底柵結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜晶體管氣體傳感器。器件對(duì)氨氣、二氧 化氮等氣體的靈敏度和響應(yīng)速度均達(dá)到目前市場(chǎng)上無(wú)機(jī)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，響應(yīng)時(shí)間小于60 秒。整個(gè)器件于真空室中蒸鍍一次性完成，大大簡(jiǎn)化了器件的制作工藝，減少了器件的制作 周期。另外，器件易于集成化、微型化。


圖1為本發(fā)明的底柵頂接觸結(jié)構(gòu)氣體傳感器示意圖，圖中，1是柵極，2是絕緣層，3 是功能層，4是源電極，5是漏電極。圖2為本發(fā)明的底柵底接觸結(jié)構(gòu)氣體傳感器示意圖，圖中，1是柵極，2是絕緣層，3 是功能層，4是源電極，5是漏電極。圖3為本發(fā)明的氣體傳感器器件在真空中與暴露在二氧化氮?dú)怏w中飽和源漏電 流的差值曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1氣體傳感器(參見(jiàn)圖1)，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極4和漏電極5組成，柵 絕緣層2上設(shè)功能層3，源電極4和漏電極5分別連接于功能層3 ；柵絕緣層2以氟化鈣為 原料，厚度為200納米。制備方法采用高平整度的玻璃片作為襯底，清洗后用氮?dú)獯蹈苫?；將基片放入?超高真空室中，首先蒸鍍一層200納米厚鋁金屬膜作為柵電極1，蒸鍍速率為0. 4納米/秒； 接著蒸鍍氟化鈣材料作絕緣層2，蒸鍍速率為0. 3納米/秒，膜厚為200納米；然后蒸鍍200 納米厚1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-氟取代酞菁銅作為功能層3，速 率控制在0. 1納米/秒；最后分別蒸鍍150納米厚鈣和金作為源4/漏5電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納米/秒；即得氣體傳感器。實(shí)施例2:氣體傳感器(參見(jiàn)圖幻，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極4和漏電極5組成，源 電極4和漏電極5分別連接于柵絕緣層2，包含兩側(cè)源電極4、漏電極5的部分表面并露出 于源電極4和漏電極5之間的柵絕緣層2上形成有功能層3 ；柵絕緣層2以氟化鍶為原料， 厚度為300納米。制備方法采用高平整度的玻璃片作為襯底，清洗后用氮?dú)獯蹈苫?；將基片放?0-4 的 超高真空室中，首先蒸鍍一層150納米厚鋁金屬膜作為柵電極1，蒸鍍速率為0. 3納米/秒； 接著蒸鍍氟化鍶材料作絕緣層2，蒸鍍速率為0. 4納米/秒，膜厚為300納米；然后蒸鍍150 納米厚有機(jī)半導(dǎo)體材料酞菁銅作為功能層3，速率控制在0. 2納米/秒；最后蒸鍍200納米 厚金源4/漏5電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納米/秒；即得氣體傳感器。實(shí)施例3 采用高平整度的聚酯膜作為襯底，清洗后用氮?dú)獯蹈苫粚⒒湃?0-4 的 超高真空室中，首先蒸鍍一層180納米厚鋁金屬膜作為柵電極1，蒸鍍速率為0. 5納米/秒； 接著蒸鍍氟化鋇材料作絕緣層2，蒸鍍速率為0. 3納米/秒，膜厚為280納米；然后蒸鍍200 納米厚1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-氟取代酞菁銅作為功能層3，速 率控制在0. 1納米/秒；最后分別蒸鍍300納米厚鈣和金作為源4/漏5電極，蒸鍍速率為 0. 5-0. 8納米/秒；即得氣體傳感器。實(shí)施例4 采用高平整度的玻璃片作為襯底，清洗后用氮?dú)獯蹈苫?；將基片放?0-4 的 超高真空室中，首先蒸鍍一層200納米厚鋁金屬膜作為柵電極1，蒸鍍速率為0. 3-0. 5納米 /秒；接著蒸鍍氟化鋇材料作絕緣層2，蒸鍍速率為0. 3納米/秒，膜厚為300納米；然后分 別蒸鍍300納米厚鈣和金作為源4/漏5電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納米/秒；最后蒸鍍300 納米厚1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25_氟取代酞菁銅作為功能層3，速率 控制在0. 2納米/秒；即得氣體傳感器。應(yīng)用例將所得氣體傳感器暴露在不同濃度二氧化氮?dú)怏w中，氣體分子吸附在氟取代酞菁 銅敏感膜表面，電子從氟取代酞菁銅分子轉(zhuǎn)移到缺電子的二氧化氮?dú)怏w分子上，致使η型 半導(dǎo)體材料內(nèi)的電子載流子數(shù)目下降，器件的源漏電流值降低。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氟取代酞 菁銅薄膜吸附的氣體量越多，其電子減少的數(shù)目增加，器件的源漏電流值越低。圖3給出了 200-450ppm不同濃度二氧化氮?dú)怏w中飽和源漏電流與在真空中工作時(shí)源漏電流的差值曲 線；另外測(cè)定氨氣時(shí)其功能層為P型有機(jī)半導(dǎo)體材料酞菁銅。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，包括柵電極⑴、柵絕緣層O)、源電極⑷和漏電極(5)組成，其 特征在于柵絕緣層(2)上設(shè)功能層(3)，源電極(4)和漏電極(5)分別連接于功能層(3)； 或者源電極(4)和漏電極( 分別連接于柵絕緣層O)，包含兩側(cè)源電極G)、漏電極(5) 的部分表面并露出于源電極(4)和漏電極(5)之間的柵絕緣層(2)上形成有功能層(3)； 柵絕緣層O)以氟化物為原料，厚度為200-350納米。
2.按權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于所述氟化物為氟化鈣、氟化鍶或氟化鋇。
3.按權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于所述氟化物為氟化鈣。
4.按權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于所述功能層(3)以ρ型有機(jī)半導(dǎo)體 材料酞菁銅或η 型有機(jī)半導(dǎo)體材料1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-氟 取代酞菁銅為原料。
5.一種按權(quán)利要求1所述的氣體傳感器的制備方法，首先將基片清洗，干燥后待用；其 特征在于將干燥后的基片上在10-4 的真空條件下蒸鍍柵電極，然后在柵電極上依次蒸 鍍柵絕緣層、功能層，而后蒸鍍?cè)措姌O和漏電極或在柵電極上依次蒸鍍柵絕緣層、源電極和 漏電極，而后蒸鍍功能層。
6.按權(quán)利要求5所述的氣體傳感器的制備方法，其特征在于所述蒸鍍柵電極時(shí)速率 為0. 3-0. 5納米/秒，厚度為150-300納米；蒸鍍絕緣層時(shí)速率為0. 3-0. 6納米/秒，厚度 為200-350納米；蒸鍍功能層時(shí)速率為0. 1-0. 3納米/秒，厚度為150-300納米；蒸鍍?cè)措?極和漏電極時(shí)速率為0. 5-0. 8納米/秒，源電極和漏電極厚度分別為150-300納米。
7.按權(quán)利要求6所述的氣體傳感器的制備方法，其特征在于所述清洗后的基片干燥 的方法為采用氮?dú)獯蹈苫蛘婵崭稍铩?br> 全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種氣體傳感器及其制備方法。包括柵電極、柵絕緣層、源電極和漏電極組成，其特征在于柵絕緣層上設(shè)功能層，源電極和漏電極分別連接于功能層；或者源電極和漏電極分別連接于柵絕緣層，包含兩側(cè)源電極、漏電極的部分表面并露出于源電極和漏電極之間的柵絕緣層上形成功能層；柵絕緣層以氟化物為原料。本發(fā)明利用有機(jī)半導(dǎo)體材料取代無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料作為器件的功能層，并采用氟化物作為器件的絕緣層，制備了底柵頂接觸和底柵底接觸結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜晶體管氣體傳感器。器件于真空室中蒸鍍一次性完成，大大簡(jiǎn)化了器件的制作工藝，減少了器件的制作周期。
文檔編號(hào)G01N27/414GK102103119SQ20091025570
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者于順洋, 李琳娜, 許玉云 申請(qǐng)人:煙臺(tái)海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究所