一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于氣敏材料與元件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法。包括以下步驟：步驟一、制備一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，得到半導(dǎo)體氣敏元件；步驟二、在半導(dǎo)體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極；步驟三、在半導(dǎo)體氣敏元件的半導(dǎo)體材料薄膜層上方設(shè)置紫外燈，將紫外燈、半導(dǎo)體氣敏元件固定在設(shè)有通氣孔的傳感器殼體內(nèi)；本發(fā)明利用紫外光照射輔助技術(shù)提高納米半導(dǎo)體氣敏傳感器的靈敏度，降低傳感器工作溫度。
【專利說明】 一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣敏材料與元件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，目前已有的氣體傳感器種類繁多，按所用氣敏材料及其氣敏特性不同，可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式等。
[0003]傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器常采用金屬氧化物(如Sn02、ZnO、Ti02等)為氣敏材料，具有測量方式簡單、靈敏度高、響應(yīng)快、操作方便、便攜性好、成本低等特點(diǎn)，但該類氣體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中必須加熱到較高的工作溫度(200?600°C)，功耗較大，降低了傳感器的便攜性，而且還增加了安全隱患，使其應(yīng)用受到很大限制。近年來，利用納米材料的特殊活性實(shí)現(xiàn)室溫氣體傳感器正成為研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，在將傳統(tǒng)氣敏材料做成納米線、納米管、納米棒、納米帶等特殊結(jié)構(gòu)的同時也涌現(xiàn)出了石墨烯、碳納米管、娃納米線等新型室溫氣敏材料。
[0004]此外，鑒于柔性器件的誘人應(yīng)用前景，已有研究者利用石墨烯、碳納米管所具有的大比表面積和低溫成膜工藝特點(diǎn)，在PET、PI甚至紙襯底上成功制備出室溫柔性氣體傳感器。
[0005]例如，2009年美國麻省大學(xué)洛威爾分校報(bào)道將氧化石墨烯噴墨打印在PET襯底上成功實(shí)現(xiàn)室溫下對N02的檢測，不足的是需要在254nm紫外光的照射下方可恢復(fù)，極大地降低了傳感器的便攜性能；2012年該該課題組又報(bào)道將碳納米管在紙上噴墨打印成膜，室溫下對lOOppm的N02和Cl2的靈敏度分別為2.4和2.7，然而其過長的響應(yīng)和恢復(fù)時間(3_5分鐘，7-12分鐘)仍不利于實(shí)際監(jiān)測。
[0006]膠態(tài)量子點(diǎn)采用膠體化學(xué)法制備，是一種用有機(jī)配體分子包裹正在生長的量子點(diǎn)的表面以控制粒子團(tuán)聚的濕化學(xué)方法。與普通納米材料相比，具有尺寸可控且均勻性好、活性高、物化特性可控、易于表面修飾、室溫成膜與柔性襯底兼容性好等特點(diǎn)，是制備室溫柔性氣體傳感器的新型理想材料。膠態(tài)量子點(diǎn)氣體傳感器的研究最早可追溯到2001年，研究者將市售的Sb摻雜Sn02膠態(tài)顆粒懸浮液以旋涂的方式在Si02襯底上成膜，制作出電阻式甲醇?xì)怏w傳感器，工作溫度低至150°C。然而，該器件仍需要在高溫(50(TC)熱處理，導(dǎo)致真實(shí)器件中的顆粒尺寸高達(dá)數(shù)十納米，不利于充分發(fā)揮膠態(tài)量子點(diǎn)氣敏材料的特點(diǎn)。之后，膠態(tài)量子點(diǎn)氣體傳感器研究中主要采用膠態(tài)量子點(diǎn)與有機(jī)聚合物的混合物為氣敏材料，使之能夠在室溫下成膜，因此膠態(tài)量子點(diǎn)的顆粒尺寸得到了較好的保持。但是，由于分散在電導(dǎo)率低的有機(jī)聚合物分子網(wǎng)絡(luò)中，膠態(tài)量子點(diǎn)對氣體的吸附活性及其之間的電子傳輸受到限制，導(dǎo)致該類傳感器在室溫下的氣敏性能并不理想，因此工作溫度然較高。此外，除了電阻式氣體傳感器，利用膠態(tài)量子點(diǎn)光致發(fā)光(PL)變化的室溫氣體傳感器也受到研究者的關(guān)注，但后者在便攜性方面無法與電阻式氣體傳感器相媲美。
[0007]申請?zhí)?01310634216.9公開了一種種半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器及其制備方法。制備方法包括如下步驟:(1)將半導(dǎo)體膠態(tài)量子點(diǎn)溶液涂覆在印有電極的絕緣襯底上，使其均勻成膜；(2)用短鏈配體溶液處理量子點(diǎn)薄膜；(3)去除殘余的短鏈配體及其副產(chǎn)物;(4)多次重復(fù)執(zhí)行步驟(1)至步驟(3)，得到具有所需厚度的半導(dǎo)體膠態(tài)量子點(diǎn)薄膜，完成氣體傳感器的制備。上述方法中，也可以直接在絕緣襯底上成膜，在最后得到的半導(dǎo)體膠態(tài)量子點(diǎn)薄膜上制備電極。氣體傳感器包括絕緣襯底、電極和氣敏層，氣敏層為半導(dǎo)體膠態(tài)量子點(diǎn)薄膜。當(dāng)用于檢測敏感溫度較低的危險(xiǎn)氣體時，該氣體傳感器的靈敏度不夠高。
[0008]申請?zhí)?01410285080.X公開一種薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法。本發(fā)明的芯片包括一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，再鍍有無序性貴金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極，將整個結(jié)構(gòu)置于一個單開口的封閉的盒子，當(dāng)氣體通過封閉盒子，在貴金屬系作為催化劑的作用下，氣體在金屬表面發(fā)生催化反應(yīng)，放出的能量傳遞給金屬中的電子，金屬中具有高能量的電子躍遷經(jīng)過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實(shí)現(xiàn)某種氣體以及含量的檢測。當(dāng)用于檢測敏感溫度較低的危險(xiǎn)氣體時，在較低溫度的情況下，該方法制得的氣體傳感器的靈敏度不夠聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種可提高傳感器的靈敏度、降低傳感器工作溫度的氣體傳感器的制備方法。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、制備一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，得到半導(dǎo)體氣敏元件；
步驟二、在半導(dǎo)體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極；
步驟三、在半導(dǎo)體氣敏元件的半導(dǎo)體材料薄膜層上方設(shè)置紫外燈，將紫外燈、半導(dǎo)體氣敏元件固定在設(shè)有通氣孔的傳感器殼體內(nèi)；
所述襯底可選有二氧化硅氧化層的硅片或玻璃片或金屬片；在選用襯底過程時，對基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。
[0011]所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。
[0012]所述底電極的金屬材料為Ti或A1。
[0013]所述半導(dǎo)體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。
[0014]所述半導(dǎo)體材料的制備方法采用溶膠凝膠法、水解沉淀法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。
[0015]所述無序型金屬膜系的材料為Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一種。
[0016]制備點(diǎn)電極的目的是形成良好的接觸，所述點(diǎn)電極材料為Ag或Ti。
[0017]所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0018]利用本發(fā)明方法制得的氣體傳感器的有益效果是:
本發(fā)明利用紫外光照射下，對納米半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行光催化作用，提高納米半導(dǎo)體氣敏傳感器的靈敏度，降低傳感器工作溫度，除了用于對普通氣體的檢測外，還可以用于可燃?xì)怏w的檢測，補(bǔ)充了其他傳感器不能在爆炸極限內(nèi)檢測的不足，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃?xì)怏w的監(jiān)測和報(bào)警。本發(fā)明的氣體傳感器方法制得的氣體傳感器在普通環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定。

【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020]實(shí)施例一、
一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、基底的準(zhǔn)備，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，所述半導(dǎo)體材料為Si, Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。
[0021]得到半導(dǎo)體氣敏元件；
步驟二、在半導(dǎo)體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極；
步驟三、在半導(dǎo)體氣敏元件的半導(dǎo)體材料薄膜層上方設(shè)置紫外燈，將紫外燈、半導(dǎo)體氣敏元件固定在設(shè)有通氣孔的傳感器殼體內(nèi)；所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0022]實(shí)施例二、實(shí)施例三與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下在選用襯底過程時，對基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。
[0023]實(shí)施例二、
一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、基底的準(zhǔn)備，采用硅片為基底，硅片的清洗流程:丙酮超聲lOmin，超純水沖洗并超聲lOmin，高純氮?dú)獯蹈?，烘?00°C烘烤15min ;在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，所述半導(dǎo)體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。得到半導(dǎo)體氣敏元件；
步驟二、在半導(dǎo)體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極；
步驟三、在半導(dǎo)體氣敏元件的半導(dǎo)體材料薄膜層上方設(shè)置紫外燈，將紫外燈、半導(dǎo)體氣敏元件固定在設(shè)有通氣孔的傳感器殼體內(nèi)；所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0024]實(shí)施例三、
一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、基底的準(zhǔn)備，采用玻璃片為基底，玻璃片的清洗流程:洗潔精清洗后純水沖洗，丙酮超聲lOmin，純水沖洗后放入現(xiàn)配濃H2S04+H202 (3: 1，V/V)混合液浸泡30min，超純水沖洗后，超純水超聲lOmin，高純氮?dú)獯蹈?，烘?00°C烘烤15min。在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，所述半導(dǎo)體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。得到半導(dǎo)體氣敏元件；步驟二、在半導(dǎo)體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極；步驟三、在半導(dǎo)體氣敏元件的半導(dǎo)體材料薄膜層上方設(shè)置紫外燈，將紫外燈、半導(dǎo)體氣敏元件固定在設(shè)有通氣孔的傳感器殼體內(nèi)；所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0025]進(jìn)一步的，在制備底電極的過程中，選擇的金屬電極用來與半導(dǎo)體形成歐姆接觸，該電極的金屬材料為Ti或A1。
[0026]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體材料的制備方法采用溶膠凝膠法、水解沉淀法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。
[0027]在制備無序型金屬膜系的時候中，目的是與半導(dǎo)體材料形成肖特基結(jié)構(gòu)；所述金屬膜系為Pt、AU、Pd、CU、Cr、Ni中任一種。制備點(diǎn)電極的目的是形成良好的接觸，所述點(diǎn)電極材料為Ag或Ti。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、制備一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半 導(dǎo)體材料薄層，得到半導(dǎo)體氣敏元件； 步驟二、在半導(dǎo)體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點(diǎn)電極； 步驟三、在半導(dǎo)體氣敏元件的半導(dǎo)體材料薄膜層上方設(shè)置紫外燈，將紫外燈、半導(dǎo)體氣敏元件固定在設(shè)有通氣孔的傳感器殼體內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述襯底可選有二氧化硅氧化層的硅片或玻璃片或金屬片；在選用襯底過程時，對基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于，所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于，所述底電極的金屬材料為Ti或Al。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為Si, Ge, GaAs, ZnO, T12, GaN 和 SiC 中任選一種。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料的制備方法采用溶膠凝膠法、水解沉淀法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。
7.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于，所述無序型金屬膜系的材料為Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一種。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于:制備點(diǎn)電極的目的是形成良好的接觸，所述點(diǎn)電極材料為Ag或Ti。
9.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器的制備方法，其特征在于:所述紫外燈的功率為 l(T50mW。
【文檔編號】G01N27/407GK104407033SQ201410636884
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】禹勝林 申請人:無錫信大氣象傳感網(wǎng)科技有限公司