專利名稱：：硅微納米結構氣體傳感器及其制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種硅微納米結構氣體傳感器及其制作方法，屬于新材料技術與納米材料領域。
背景技術：
：由于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境檢測的迫切需要，氣體傳感器的研究和應用開發(fā)一直十分活躍。氣體傳感器是一種新型微量分析技術，它是把特定的氣體種類及其濃度變成光電等信號來表示的功能元件。由于氣體傳感器靈敏度高，選擇性好，攜帶方便和微型化，能用于現(xiàn)場分析和監(jiān)控等特點，因此在環(huán)境監(jiān)測、石油化工、以及日常生活中越來越多的被用來作為有害、易燃易爆氣體的檢測預報和自動控制裝置。目前傳統(tǒng)氣體傳感器存在的主要問題是靈敏度和選擇性等特性不能滿足超微量快速檢測的要求，但是采用常規(guī)氣體敏感材料很難達到超微量快速檢測的水平。最近的微納米材料研究發(fā)現(xiàn)，當傳感器材料進入微納米尺度后，利用其表面效應和尺度效應可以大幅度提高傳感器的探測靈敏度，從而為實現(xiàn)超微量快速檢測傳感器開辟了一條嶄新的思路。微納米氣敏傳感器具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點一是微納米材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度；二是大大縮小了傳感器的尺寸。微納米技術為新型納米氣體傳感器的發(fā)展提供了一系列優(yōu)良的微納米氣敏功能材料，如納米管、納米帶、納米線，納米多孔材料等。目前國內外納米材料氣體傳感器的研究已經(jīng)獲得了長足的進展。Kong等人2000年首次用單根單壁碳納米管制作為化學傳感器，用來檢測N02和NH3[KongJ，F(xiàn)ranklinNR，ZhouCW，ChaplineMG，PengS，ChoKJ，DaiHJ.Nanotubemolecularwiresaschemicalsensors,Science2000，287，622-625];2001年王中林研究組將單根Sn02納米帶制作成氣體傳感器，用于測量CO及N02[CominiE，F(xiàn)agliaG，SberveglieriG，PanZW，WangZL.Stableandhighlysensitivegassensorsbasedonsemiconductingoxidenanobelts，AppliedPhysicsLetters2002，81，1869-1871]。香港城市大學李述湯研究組發(fā)現(xiàn)用硅納米線制備的氣體傳感器具有很高的朋3、水蒸汽靈敏度，并且在室溫下能夠進行實時監(jiān)控[ZhouXT，HuJQ，LiCP，MaDDD，LeeCS丄eeST.Siliconnanowiresaschemicalsensors,ChemicalPhysicalLetters2003，369,220-224]。在我們發(fā)明的大面積硅微納米結構制備技術基礎上[參見中國專利CN1382626;中國專利申請?zhí)?005100117533;中國專利申請?zhí)朇N200810084205.7;中國專利申請?zhí)朇N200810183135.0]，我們發(fā)明了一種基于我們具有自主知識產(chǎn)權技術制備的硅微納米結構及其氣體傳感器制作方法。
發(fā)明內容本發(fā)明目的是設計和提供一種具有高靈敏度的硅微納米結構氣體傳感器制作方法。其特征在于所述方法依次按如下步驟進行1)利用光刻(或者其它自組裝技術)與真空熱蒸發(fā)技術(或化學鍍技術)在清潔硅表面沉積形成20-200nm厚的具有規(guī)則圖案的有序銀(或金)膜；2)將步驟(1)得到的沉積有金屬膜的硅片浸入含有冊+11202+1120(也可以利用Fe(N03)3等氧化劑替換腐蝕液中的H202)的密閉容器中，室溫-50攝氏度之間處理4-180分鐘，即可獲得有序硅微納米結構材料；3)利用化學鍍或者電鍍等技術在步驟(2)得到硅微納米結構材料表面沉積一層納米鉑(或金)顆粒，即可獲得硅微納米結構氣敏材料；4)在步驟(2)得到硅微納米結構材料表面制備兩個間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件；5)在步驟(2)得到硅微納米結構材料表面與背面各制備一個金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件；6)在步驟(3)得到硅微納米結構材料表面與背面各制備一個金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件；7)在步驟(3)得到硅微納米結構材料表面制備兩個間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟2氫氟酸濃度范圍為l-10mol/L，過氧化氫濃度范圍為0.02-2mol/L，硝酸鐵含量在0.Olmol/1-0.50mol/l之間。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟3氫氟酸含量在0.2mol/l-13mol/l之間，硝酸銀含量在0.005mol/l-0.10mol/l之間圖1為本發(fā)明的硅微納米結構氣體傳感器示意圖。l金屬歐姆電極2金屬歐姆電極3硅微納米結構薄膜層4硅襯底5背電極具體實施例方式具體實施方式l在清潔硅表面涂上光刻膠，電子束曝光將光刻掩模板上的納米結構圖形精確地復制在涂有光致抗蝕劑的清潔硅片表面，用顯影液中溶解掉不需要的光刻膠，獲得腐蝕時所需要的、有抗蝕劑保護的圖形，圖形線寬為100nm。利用高真空熱蒸發(fā)技術在處理后的硅片表面沉積一層20納米厚的金屬銀膜后，將硅片浸泡在光刻膠剝離溶液中，將硅片表面的抗蝕劑及覆蓋在其上面的銀膜去除。隨后立即硅片浸入含有HF+H202+H20腐蝕溶液的密閉容器中，25攝氏度處理30分鐘。便得到硅納米結構陣列。隨后將樣品在濃硝酸溶液里面浸泡至少一個小時以去除表面的銀膜。在硅納米結構陣列材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。具體實施方式2在清潔硅表面涂上光刻膠，電子束曝光將光刻掩模板上的結構圖形精確地復制在涂有光致抗蝕劑的清潔硅片表面，用顯影液中溶解掉不需要的光刻膠，獲得腐蝕時所需要的、有抗蝕劑保護的圖形，圖形線寬為l微米。利用高真空熱蒸發(fā)技術在處理后的硅片表面沉積一層20納米厚的金屬銀膜后，將硅片浸泡在光刻膠剝離溶液中，將硅片表面的抗蝕劑及覆蓋在其上面的銀膜去除。隨后立即硅片浸入含有HF+Fe(N0》3+H^腐蝕溶液的密閉容器中，25攝氏度處理30分鐘，便得到有序硅微納米結構陣列。隨后將樣品在濃硝酸溶液里面浸泡至少一個小時以去除表面的銀膜。通過在有序硅微納米結構材料表面和背表面沉積金屬電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。具體實施方式3在清潔硅表面涂上光刻膠，電子束曝光將光刻掩模板上的納米結構圖形精確地復制在涂有光致抗蝕劑的清潔硅片表面，用顯影液中溶解掉不需要的光刻膠，獲得腐蝕時所需要的、有抗蝕劑保護的圖形，圖形線寬為l微米。利用高真空熱蒸發(fā)技術在處理后的硅片表面沉積一層20納米厚的金屬銀膜后，將硅片浸泡在光刻膠剝離溶液中，將硅片表面的抗蝕劑及覆蓋在其上面的銀膜去除。隨后立即硅片浸入含有HF+Fe(N0》3+H^腐蝕溶液的密閉容器中，25攝氏度處理30分鐘，便得到有序硅微納米結構陣列。隨后將樣品在濃硝酸溶液里面浸泡至少一個小時以去除表面的銀膜。在硅微納米結構陣列材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。具體實施方式4在清潔硅表面涂上光刻膠，電子束曝光將光刻掩模板上的納米結構圖形精確地復制在涂有光致抗蝕劑的清潔硅片表面，用顯影液中溶解掉不需要的光刻膠，獲得腐蝕時所需要的、有抗蝕劑保護的圖形，圖形線寬為100nm。利用高真空熱蒸發(fā)技術在處理后的硅片表面沉積一層20納米厚的金屬銀膜后，將硅片浸泡在光刻膠剝離溶液中，將硅片表面的抗蝕劑及覆蓋在其上面的銀膜去除。隨后立即硅片浸入含有HF+H202+H20腐蝕溶液的密閉容器中，25攝氏度處理30分鐘。便得到硅納米結構陣列。隨后將樣品在濃硝酸溶液里面浸泡至少一個小時以去除表面的銀膜。在硅納米結構陣列材料表面和背面分別沉積金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。具體實施方式5利用高真空金屬沉積技術在清潔硅片表面沉積均勻分布的銀膜，然后在氮氣保護氣氛下，200攝氏度熱退火，在硅表面形成大面積尺寸相同、周期性分布的銀納米顆粒陣列；隨后立即將硅片浸入含有HF+H202+H20腐蝕溶液的密閉容器中，25攝氏度處理30分鐘，便得到硅納米洞陣列。隨后將樣品在濃硝酸溶液里面浸泡至少一個小時以去除表面的銀膜。在硅納米洞陣列材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。具體實施方式6通過旋涂技術，將單一尺寸的銀納米顆粒均勻分布在清潔硅片表面，形成大面積周期性分布的銀納米顆粒陣列；隨后立即將硅片浸入含有HF+H202+H20腐蝕溶液的密閉容器中，25攝氏度處理20分鐘，便得到硅納米洞陣列。隨后將樣品在濃硝酸溶液里面浸泡至少一個小時以去除表面的銀膜。在硅納米洞陣列材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。權利要求硅微納米結構氣體傳感器及其制作方法，其特征在于所述方法依次按如下步驟進行1)利用光刻(或者其它自組裝技術)與真空熱蒸發(fā)技術(或化學鍍技術)在清潔硅表面沉積形成20-200nm厚的具有規(guī)則圖案的有序銀(或金)膜；2)將步驟(1)得到的沉積有金屬膜的硅片浸入含有HF+H2O2+H2O(也可以利用Fe(NO3)3等氧化劑替換腐蝕液中的H2O2)的密閉容器中，室溫-50攝氏度之間處理4-180分鐘，即可獲得有序硅微納米結構材料；3)利用化學鍍或者電鍍等技術在步驟(2)得到硅微納米結構材料表面沉積一層納米鉑(或金)顆粒，即可獲得硅微納米結構氣敏材料；4)在步驟(2)得到硅微納米結構材料表面制備兩個間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件；5)在步驟(2)得到硅微納米結構材料表面與背面各制備一個金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件；6)在步驟(3)得到硅微納米結構材料表面與背面各制備一個金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件；7)在步驟(3)得到硅微納米結構材料表面制備兩個間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個簡單的氣體傳感器元件。2.根據(jù)權利要求1所述的硅微納米結構氣體傳感器及其制作方法，其特征在于所述步驟(2)氫氟酸濃度范圍為0.2-10mol/L，過氧化氫濃度范圍為0.02-2mol/L，硝酸鐵含量在0.Olmol/1-0.50mol/l之間。3.根據(jù)權利要求1所述的硅微納米結構氣體傳感器及其制作方法，其特征在于所述步驟(2)制備的硅微納米結構可以是硅微米線、硅微米洞、硅納米線、硅納米洞等陣列結構。全文摘要本發(fā)明公開了一種屬于新材料
技術領域：
的硅微納米結構氣體傳感器及其制作方法。其特征在于采用金屬催化硅腐蝕制備硅微納米結構，適當添加鉑(或金)等催化劑，可以制得對一氧化氮、二氧化氮等氮氧化合物氣體、氨氣等氣體敏感的硅微納米結構氣體傳感器。硅微納米結構氣體傳感器具有選擇性好、穩(wěn)定性好、壽命長的優(yōu)點，且工藝穩(wěn)定，重復性好，便于批量生產(chǎn)。文檔編號G01N27/12GK101793855SQ20101013278公開日2010年8月4日申請日期2010年3月26日優(yōu)先權日2010年3月26日發(fā)明者彭奎慶,王新申請人:北京師范大學