用于室溫的多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏元件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣敏傳感器元件的制備方法，尤其涉及一種用于室溫的多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏元件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)以來，現(xiàn)代工業(yè)在飛速發(fā)展的同時也不斷地給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，并對人類的健康造成了極大的危害。氮氧化物氣體是一種可導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧的有毒有害氣體。隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們對氮氧化物氣體傳感器性能的要求也越來越高。其中，研究可在室溫條件下高靈敏度、高選擇性、可重復(fù)性檢測氮氧化物氣體是目前氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。
[0003]金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜已被廣泛研究的氣體傳感應(yīng)用。到目前為止，研究主要集中在N型半導(dǎo)體。最近P型氧化物半導(dǎo)體的的研究得到越來越多的重視，氧化銅就是一種典型的P型半導(dǎo)體，應(yīng)用于各種有毒有害氣體的如N0x、S02、NH3等檢測。和大多數(shù)金屬氧化物半導(dǎo)體類似，氧化銅的工作溫度較高(250?300°C)，這極大的增加了傳感器的功耗。為此，科技人員一直致力于降低氣敏材料的工作溫度的研究。研究表明，氧化銅薄膜具有較大的比表面積、表面活性以及較強(qiáng)的氣體吸附能力，從而能加快氣體之間的反應(yīng)。在進(jìn)一步提高靈敏度同時有效的降低工作溫度。
[0004]硅基多孔硅是一種在硅片表面形成孔徑尺寸、孔道深度以及孔隙率可調(diào)的極具潛力的新型室溫氣敏材料。此外，因制作工藝易與微電子工藝技術(shù)兼容，硅基多孔硅成為最具吸引力的研究領(lǐng)域之一。其特殊的微觀結(jié)構(gòu)可獲得巨大的比表面積，并且可以為氣體的擴(kuò)散提供有效的通道，使其具有良好的氣敏性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于室溫的多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏元件的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中氧化銅薄膜結(jié)構(gòu)氣敏傳感器工作溫度較高的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于室溫的多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏元件的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)硅基片的清洗
[0008]將P型單面拋光的單晶硅基片放入濃硫酸與過氧化氫的混合液中浸泡30?50分鐘，隨后置于氫氟酸與去離子水的混合液中浸泡20?40分鐘，然后分別在丙酮和乙醇中超聲清洗5?20分鐘，以除去硅基片表面的油污、有機(jī)物雜質(zhì)和表面氧化層，最后將硅基片放入無水乙醇中被用；
[0009](2)制備多孔硅
[0010]采用雙槽電化學(xué)腐蝕法在步驟(I)的單晶硅片的拋光表面制備多孔硅層，所用電解液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸和質(zhì)量濃度為40% 二甲基甲酰胺組成，體積比為1:2，在室溫且不借助光照的環(huán)境下通過改變電流密度和腐蝕時間改變多孔硅的平均孔徑和厚度，施加的電流密度為50?lOOmA/cm2，腐蝕時間為5?10分鐘；
[0011 ] (3)采用直流反應(yīng)磁控濺射法制備氧化銅薄膜
[0012]將步驟(2)制備的多孔硅置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，采用質(zhì)量純度99.95 %的金屬銅靶材，本體真空度為2?4 X 10—4Pa，以質(zhì)量純度為99.999 %的氬氣作為工作氣體，氣體流量為30?45sccm，濺射工作壓強(qiáng)為1.0?2.0卩&，濺射功率為90?11()￥，濺射時間為1?30miη，在娃基多孔娃表面沉積納米氧化銅薄膜；
[0013](4)熱處理形成氧化銅薄膜
[0014]將步驟(3)中制備的多孔硅基氧化銅置于管式爐中，在550?650°C中熱處理2?4h，熱處理的氣氛為質(zhì)量純度為99.999 %氧氣與質(zhì)量純度為99.999 %氬氣的混合氣體，比例1:4;控制升溫速率為5°C/min，將其降溫到室溫取出得到多孔硅氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)；
[0015](5)制備氣敏元件
[0016]將步驟(4)中制得的多孔硅基氧化銅氣敏材料置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室;本體真空度4?5X10—4Pa,采用質(zhì)量純度為99.95%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度為99.999%的氬氣作為工作氣體，氬氣氣體流量為20?25sccm，濺射工作壓強(qiáng)為2.0?3.0Pa,濺射功率為90?10W，濺射時間為2?4min，在多孔硅表面濺射一對方形鉑電極；
[0017]所述步驟(I)的P型單面拋光的單晶硅片的電阻率為10?15Ω.cm，厚度為300?400μπι，晶向為(100)，硅基片襯底的尺寸為2.2?2.4cmX 0.8?0.9cm0
[0018]所述步驟(2)制備的多孔硅的平均孔徑為1.3?I.8μπι，平均厚度為15?20μπι。
[0019]所述步驟(3)采用的直流反應(yīng)磁控濺射法制備的氧化銅薄膜的厚度為75?225nm。
[0020]所述步驟(5)制備的鉑電極尺寸為0.2cmX 0.2cm，厚度為40?70nm，電極間距為8mm ο
[0021]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用磁控濺射的方法將有序多孔硅與氧化銅薄膜結(jié)構(gòu)復(fù)合形成新的復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏材料，其具有巨大的比表面積與較大的表面活性，可以提供大量的吸附位置和擴(kuò)散通道，從而克服了基于氧化銅薄膜氣敏材料工作溫度高的缺陷，制備出一種結(jié)構(gòu)新穎、制作工藝簡單的可以在室溫條件下對低濃度的氮氧化物有效檢測的多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)的氣敏傳感元件。并重點研究了不同薄膜厚度對多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件氣敏性能的影響。該方法具有設(shè)備簡單、操作方便、可重復(fù)性好、成本低廉等優(yōu)點，具有重要的實踐意義和研究意義。
【附圖說明】
[0022]圖1是實施例1所制備的多孔硅表面掃描電子顯微鏡照片；
[0023]圖2是實施例1所制備的多孔硅斷面掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖3是實施例1所制備的多孔硅基氧化銅復(fù)合結(jié)構(gòu)表面掃描電子顯微鏡照片；
[0025]圖4是實施例1的氣敏元件對125ppb?100ppb NO2氣體的動態(tài)響應(yīng)曲線；
[0026]圖5是實施例1氣敏元件的靈敏度與NO2氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系圖；
[0027]圖6是實施例1氣敏元件的響應(yīng)/恢復(fù)時間與NO2氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系圖；
[0028I圖7是實施例1氣敏元件對Ippm N02的重復(fù)性測試示意圖；
[0029]圖8是實施例1氣敏元件對多種氣體的選擇性示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0031]本發(fā)明所用的原料均采用市售化學(xué)純試劑。
[0032]實施例1
[0033](I)硅基片的清洗
[0034]將2寸P型電阻率為10?15Ω.cm，厚度為400μπι，晶向為(100)的單面拋光的單晶硅基片，切割成尺寸為2.4cmX 0.8cm的矩形硅襯底，將硅片放入體積比為3:1的濃硫酸與過氧化氫混合液中浸泡4 5 m i η，隨后置于體積比為1:1的氫氟酸與去離子水混合液中浸泡30min，然后分別在丙酮和乙醇中超聲清洗15min，最后將娃基片放入無水乙醇中被用。
[0035](2)制備多孔硅
[0036]采用雙槽電化學(xué)腐蝕法在步驟(I)單晶硅片的拋光表面制備多孔硅層，所用電解液由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸和質(zhì)量濃度為40% 二甲基甲酰胺組成，體積比為1:2，在室溫且不借助光照的環(huán)境下施加的電流密度為65mA/cm2，腐蝕時間為8min，多孔硅形成區(qū)域為