一種薄膜芯片氣體傳感器的制備方法
【專利摘要】本發明屬于氣敏材料與元件【技術領域】，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，再鍍半導體材料薄層，得到半導體氣敏元件；步驟二、在半導體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極；步驟三、在半導體氣敏元件的半導體材料薄膜層上方設置紫外燈，將紫外燈、半導體氣敏元件固定在設有通氣孔的傳感器殼體內；本發明利用紫外光照射輔助技術提高納米半導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
【技術領域】
[0001]本發明屬于氣敏材料與元件【技術領域】，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】
[0002]氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器，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，可分為半導體式、固體電解質式、電化學式、接觸燃燒式等。
[0003]傳統的半導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、響應快、操作方便、便攜性好、成本低等特點，但該類氣體傳感器在實際應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，使其應用受到很大限制。近年來，利用納米材料的特殊活性實現室溫氣體傳感器正成為研究的熱點與重點，在將傳統氣敏材料做成納米線、納米管、納米棒、納米帶等特殊結構的同時也涌現出了石墨烯、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，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年美國麻省大學洛威爾分校報道將氧化石墨烯噴墨打印在PET襯底上成功實現室溫下對N02的檢測，不足的是需要在254nm紫外光的照射下方可恢復，極大地降低了傳感器的便攜性能；2012年該該課題組又報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，然而其過長的響應和恢復時間(3_5分鐘，7-12分鐘)仍不利于實際監測。
[0006]膠態量子點采用膠體化學法制備，是一種用有機配體分子包裹正在生長的量子點的表面以控制粒子團聚的濕化學方法。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，是制備室溫柔性氣體傳感器的新型理想材料。膠態量子點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，制作出電阻式甲醇氣體傳感器，工作溫度低至150°C。然而，該器件仍需要在高溫(50(TC)熱處理，導致真實器件中的顆粒尺寸高達數十納米，不利于充分發揮膠態量子點氣敏材料的特點。之后，膠態量子點氣體傳感器研究中主要采用膠態量子點與有機聚合物的混合物為氣敏材料，使之能夠在室溫下成膜，因此膠態量子點的顆粒尺寸得到了較好的保持。但是，由于分散在電導率低的有機聚合物分子網絡中，膠態量子點對氣體的吸附活性及其之間的電子傳輸受到限制，導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，利用膠態量子點光致發光(PL)變化的室溫氣體傳感器也受到研究者的關注，但后者在便攜性方面無法與電阻式氣體傳感器相媲美。
[0007]申請號201310634216.9公開了一種種半導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)將半導體膠態量子點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薄膜；(3)去除殘余的短鏈配體及其副產物;(4)多次重復執行步驟(1)至步驟(3)，得到具有所需厚度的半導體膠態量子點薄膜，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，在最后得到的半導體膠態量子點薄膜上制備電極。氣體傳感器包括絕緣襯底、電極和氣敏層，氣敏層為半導體膠態量子點薄膜。當用于檢測敏感溫度較低的危險氣體時，該氣體傳感器的靈敏度不夠高。
[0008]申請號201410285080.X公開一種薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法。本發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，再鍍半導體材料薄層，再鍍有無序性貴金屬膜系，最后鍍上點電極，將整個結構置于一個單開口的封閉的盒子，當氣體通過封閉盒子，在貴金屬系作為催化劑的作用下，氣體在金屬表面發生催化反應，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過金屬和半導體的界面形成電流，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實現某種氣體以及含量的檢測。當用于檢測敏感溫度較低的危險氣體時，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。
【發明內容】
[0009]本發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]為了實現上述目的，本發明的技術方案是:
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，再鍍半導體材料薄層，得到半導體氣敏元件；
步驟二、在半導體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極；
步驟三、在半導體氣敏元件的半導體材料薄膜層上方設置紫外燈，將紫外燈、半導體氣敏元件固定在設有通氣孔的傳感器殼體內；
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沉積。
[0012]所述底電極的金屬材料為Ti或A1。
[0013]所述半導體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。
[0014]所述半導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、真空蒸發法、電子束蒸發法、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]制備點電極的目的是形成良好的接觸，所述點電極材料為Ag或Ti。
[0017]所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0018]利用本發明方法制得的氣體傳感器的有益效果是:
本發明利用紫外光照射下，對納米半導體薄膜進行光催化作用，提高納米半導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，還可以用于可燃氣體的檢測，補充了其他傳感器不能在爆炸極限內檢測的不足，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氣體的監測和報警。本發明的氣體傳感器方法制得的氣體傳感器在普通環境溫度下非常穩定。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0020]實施例一、
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、基底的準備，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導體材料薄層，所述半導體材料為Si, Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。
[0021]得到半導體氣敏元件；
步驟二、在半導體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極；
步驟三、在半導體氣敏元件的半導體材料薄膜層上方設置紫外燈，將紫外燈、半導體氣敏元件固定在設有通氣孔的傳感器殼體內；所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0022]實施例二、實施例三與實施例一基本相同，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沉積。
[0023]實施例二、
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，高純氮氣吹干，烘箱800°C烘烤15min ;在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導體材料薄層，所述半導體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。得到半導體氣敏元件；
步驟二、在半導體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極；
步驟三、在半導體氣敏元件的半導體材料薄膜層上方設置紫外燈，將紫外燈、半導體氣敏元件固定在設有通氣孔的傳感器殼體內；所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0024]實施例三、
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，高純氮氣吹干，烘箱800°C烘烤15min。在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導體材料薄層，所述半導體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任選一種。得到半導體氣敏元件；步驟二、在半導體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極；步驟三、在半導體氣敏元件的半導體材料薄膜層上方設置紫外燈，將紫外燈、半導體氣敏元件固定在設有通氣孔的傳感器殼體內；所述紫外燈的功率為l(T50mW。
[0025]進一步的，在制備底電極的過程中，選擇的金屬電極用來與半導體形成歐姆接觸，該電極的金屬材料為Ti或A1。
[0026]進一步的，所述半導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、真空蒸發法、電子束蒸發法、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，目的是與半導體材料形成肖特基結構；所述金屬膜系為Pt、AU、Pd、CU、Cr、Ni中任一種。制備點電極的目的是形成良好的接觸，所述點電極材料為Ag或Ti。
【權利要求】
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 導體材料薄層，得到半導體氣敏元件； 步驟二、在半導體材料薄層之上再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極； 步驟三、在半導體氣敏元件的半導體材料薄膜層上方設置紫外燈，將紫外燈、半導體氣敏元件固定在設有通氣孔的傳感器殼體內。
2.如權利要求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沉積。
4.如權利要求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，所述半導體材料為Si, Ge, GaAs, ZnO, T12, GaN 和 SiC 中任選一種。
6.如權利要求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、真空蒸發法、電子束蒸發法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。
7.如權利要求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:制備點電極的目的是形成良好的接觸，所述點電極材料為Ag或Ti。
9.如權利要求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 優先權日:2014年11月13日
【發明者】禹勝林 申請人:無錫信大氣象傳感網科技有限公司