專利名稱：用于檢測二氧化氮的氣體傳感器及其制作工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬一種氣體傳感器，特別涉及一種有機單分子膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器及其制作工藝。
懸柵場效應(SGFET)型氣體傳感器是一種用氣敏材料修飾于場效應晶體管的柵區，利用氣敏材料吸附某一種氣體后形成的電荷分布變化來改變柵區半導體的表面勢，從而引起場效應晶體管柵電壓的變化，導致檢測的漏電流改變的一種氣體傳感器。
與本發明最為接近的現有技術為一篇文獻所公開，文獻題目是“識別H2和NH3的懸柵場效應晶體管(Recognition of the Hydrogenand Ammonia by Modified Gate Metallijation of the Suspended-gate FET)，載《Sensorsand Actuators》1990，(B1)21。所制得的氣體傳感器是在傳統的n溝增強型場效應晶體管上完成的，除了柵區無金屬層和柵電極外，其它結構與場效應晶體管一致，然后使氣敏材料SnO2只沉積在場效應晶體管的柵區。我們稱柵區位置不蒸鍍金屬層，且不引出柵電極的場效應晶體管為懸柵場效應晶體管。現有技術的懸柵場效應型的氣體傳感器結構由圖1給出。在P型Si襯底上兩處擴散一定濃度的n型載流子，形成漏源區域，在n區各引出源電極s和漏電極D，即AL電極，構成懸柵場效應晶體管。在兩個n區之間的柵區表面沉積有SnO2層。制作這種氣體傳感器的工藝過程大致為，首先利用常規的制作半導體器件的方法制作增強型懸柵場效應晶體管管芯的芯片，劃界切割。所述的劃界切割就是在芯片上按管芯位置劃界，分割一個個管芯，但又不使管芯分離，各個管芯仍連在一起，芯片仍為一個整體，以便沉積氣敏材料。然后，使用特殊的工藝技術同時在各管芯柵區表面蒸鍍氣敏性的過渡金屬或陶瓷材料(如SnO2)。最后，將芯片分割成單個的管芯，每個管芯都引出源電極S和漏電極D。
這種SnO2-SGFET結構的氣體傳感器由于不加柵偏壓而功耗低，變化信號便于檢測，器件易于實現集成化，而且一致性較好。但是，由于氣敏性過渡金屬或陶瓷材料一般需要在高的溫度下才具有較強的吸附氣體的能力，故在常溫下該傳感器靈敏度較低；由于過渡金屬或陶瓷氣敏材料對多種氣體均敏感，故選擇性較差造成檢測不準確；由于采用增強型場效應晶體管，一般要在較高的氣體濃度下才能引起明顯的漏電流變化，因而不利檢測低濃度的氣體。而其制作工藝中只在柵區表面沉積(蒸鍍)氣敏材料，因而制作比較麻煩、困難。
本發明設計了一種用有機單分子膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器，有機單分子膜修飾于整個管芯，而達到氣體傳感器常溫下工作，靈敏度較高、選擇性好、可以檢測較低濃度的氣體，且工藝較簡單的目的。
本發明的有機單分子膜修飾的場效應型氣體傳感器，有機單分子膜(亦稱LB膜)采用鈷卟啉季胺鹽及其衍生物或硫化酞菁銅及其衍生物為原料制備的有機單分子膜，這兩種原料LB膜修飾于場效應晶體管制得的氣體傳感器用于檢測NO2氣體。該氣體傳感器可稱為LB-SGFET結構的氣體傳感器。
本發明的具體結構參見圖2。在柵區無金屬層和柵電極的場效應晶體管(即懸柵場效應晶體管)的柵區表面拉制有鈷卟啉季胺鹽或硫化酞菁銅或它們的衍生物的有機單分子膜。圖2中懸柵場效應晶體管即在P型Si襯底上擴散有兩個n型載流子的n區，在包括柵區在內的整個表面附有有機單分子膜，兩個n區分別引出源電極S和漏電極D。
制備有機單分子膜的原料最好是四對二甲胺基鈷卟啉季胺鹽或其衍生物或四-4-(2 ，4-二特戊基苯硫基)酞菁銅或其衍生物。它們對NO2氣體更為敏感，因而可以提高氣體傳感器的靈敏度和選擇性。
制備的氣體傳感器上有機單分子膜的厚度應當合適。對NO2氣體的傳感器，LB膜厚度可為6～60nm，最好為15～45nm。用前述的鈷卟啉季胺鹽、硫化酞菁銅或它們的衍生物制備LB膜時，控制懸柵場效應晶體管上的層數大約為4～40層，可以做到LB膜總厚度為6～60nm。層數過少不利于獲得較高的靈敏度，層數過多不利于快速的響應和穩定性。
這種LB膜修飾的場效應型氣體傳感器可以采用增強型懸柵場效應晶體管，也可以采用耗盡型懸柵場效應晶體管。它們檢測的的范圍有所不同，耗盡型的可以檢測更低濃度的NO2氣體，即具有較高的靈敏度；增強型的具有較好的穩定性。實際檢測中可以根據不同環境使用這兩種氣體傳感器。
本發明的LB膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器是這樣制作的首先，按常規的制作方法制作懸柵場效應晶體管的管芯芯片，用劃片機按單個管芯進行劃界切割，對芯片進行親水處理；按常規制作方法制備鈷卟啉季胺鹽或其衍生物或硫化酞菁銅或其衍生物的有機單分子膜，之后，A.將芯片放在漂有有機單分子膜的液體中，在(20±2)℃條件下，將有機單分子膜拉制到芯片的柵區表面上；B.將芯片置于10-2Torr的真空度下干燥，再放進漂有有機單分子膜的液體中，拉制第二層有機單分子膜；C.按上述A、B的過程反復，使芯片上柵區表面的多層有機單分子膜的厚度達到6～60nm，再干燥。
最后，將芯片分割成單個的管芯，用靜電壓焊方法，在懸柵場效應晶體管的漏源區域(兩個n區)形成AL引線。
前述的按常規方法制備有機單分子膜，即是現有的制備LB膜的方法。一般是將原料的微粉(如鈷卟啉季胺鹽)溶于有機熔劑如氯坊中，用點滴方式滴在液體表面上，比如滴在水面上，再推制成膜。
本發明的LB-SGFET結構的氣體傳感器由于LB膜的有序性，其吸附氣體分子并與之交換電子后，膜內形成偶極層，從而在柵區產生附加電場，引起漏電流的變化。正由于LB膜的有序性，使氣體傳感器有高靈敏度；特別是采用耗盡型場效應管時，在較低的氣體濃度引起的非常小的柵電壓變化，也會從漏電流變化中反應出來，使檢測的氣體濃度達到PPb級。由于本發明的特有的制備LB膜的材料又吸附NO2氣體分子并與之交換電子，從而具有極高的選擇性。由于LB膜的超薄特性，對氣體的響應與恢復迅速，因而LB膜的氣體傳感器具有快速響應和快速恢復的特點。由于LB膜直接拉制在懸柵場效應晶體管的芯片上，不需選擇性地沉積在柵區，使工藝變得簡單，器件的制作也可實現集成化，具有良好的一致性，因而便于大批量生產。
圖1是識別氫氣和氨氣的懸柵場效應晶體管結構示意圖。
圖2是本發明的檢測二氧化氮的氣體傳感器結構示意圖。
權利要求
1.一種用于檢測NO2的氣體傳感器，其結構包括在柵區無金屬層和柵電極的場效應晶體管(即懸柵場效應晶體管)，本發明的特征在于，在柵區的表面拉制有鈷卟啉季胺鹽或硫化酞菁銅或它們的衍生物的有機單分子膜。
2.按照權利要求1所述的用于檢測NO2的氣體傳感器，其特征在于所說的有機單分子膜是四對二甲胺基鈷卟啉季胺鹽或其衍生物或四-4-(2，4-二特戊基苯硫基)酞菁銅或其衍生物的單分子膜，其厚度為6～60nm。
3.按照權利要求1或2所述的用于檢測NO2的氣體傳感器，其特征在于所說的懸柵場效應晶體管是耗盡型的場效應晶體管。
4.一種用于檢測NO2的氣體傳感器的制作工藝。首先按常規的方法制作懸柵場效應晶體管的管芯芯片，用劃片機按單個管芯進行劃界切割，對芯片進行親水處理；按常規制作方法制備鈷卟啉季胺鹽或其衍生物或硫化酞菁銅或其衍生物的有機單分子膜，最后，將芯片分割成單個的管芯，用靜電壓焊方法，在懸柵場效應晶體管的漏源區域形成AL引線，本發明的特征在于對親水處理后的懸柵場效應晶體管的柵區表面拉制有機單分子膜，其過程分為，A.將芯片放在漂有有機單分子膜的液體中，在(20±2)℃條件下，將有機單分子膜拉制在芯片的柵區表面上；B.將芯片置于10-2Torr的真空度下干燥，再拉制第二層有機單分子膜；C.按A、B的過程反復，使芯片上柵區表面的多層有機單分子膜的厚度達到6～60nm，干燥后分割成單個管芯裝AL引線。
全文摘要
本發明涉及一種檢測NO
文檔編號G01N27/12GK1147636SQ9610264
公開日1997年4月16日 申請日期1996年2月2日 優先權日1996年2月2日
發明者顧長志, 孫良彥, 張彤, 曹錫章 申請人:吉林大學