酒精敏感材料及半導體酒精傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種酒精敏感材料以及基于該酒精敏感材料的半導體酒精傳感器，屬 于氣體檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 高精度的酒精檢測和監測在工業化應用和交通管理有著極其廣泛的應用。在交管 部門的實際工作中，通常采用呼氣酒精含量檢驗來判斷駕駛員是否存在酒后駕車行為。呼 氣式酒精測試儀采用酒精傳感器來測量被測者呼出氣體中酒精的含量，常用的酒精傳感器 有半導體型和燃料電池型兩大類。現有酒精傳感器以燃料電池型居多，雖然精度高但價格 昂貴。基于本征金屬氧化物制作的半導體型酒精傳感器對還原性氣體普遍響應靈敏度低， 特別重要的是金屬氧化物傳感器可對大多數還原性氣體敏感，故對乙醇檢測的選擇性較 差。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有半導體型酒精傳感器技術的不足，提供 一種甲醛敏感材料以及基于該酒精敏感材料的半導體酒精傳感器，可大幅提高酒精檢測的 靈敏度及選擇性，且半導體酒精傳感器集成化程度高、體積小、制造工藝簡單。
[0004] 本發明具體采用以下技術方案：
[0005] -種酒精敏感材料，所述酒精敏感材料為五氧化二鈮（Nb2O5)或/和二氧化鈦 (TiO 2)摻雜的氧化鋅（ZnO)，或者為五氧化二鈮或/和二氧化鈦摻雜的氧化錫（SnO2)，或者 為五氧化二鈮或/和二氧化鈦摻雜的氧化錫/氧化鋅混合物。
[0006] 以下為本發明酒精敏感材料的一系列優選方案：
[0007] 所述酒精敏感材料的摻雜物中包括五氧化二鈮，五氧化二鈮的摻雜比例（即摻雜 物與主成分的比例）為0. 1 %~0. 3% mol。進一步地，所述酒精敏感材料的摻雜物中還包 括二氧化鈦，二氧化鈦與五氧化二銀的摩爾比為5 :1。
[0008] 所述酒精敏感材料為二氧化鈦摻雜的氧化鋅，摻雜比例為1. 1%~4. 5% mol。
[0009] 所述酒精敏感材料為二氧化鈦摻雜的氧化錫，摻雜比例為1. 0%~5. 9% mol。
[0010] 所述酒精敏感材料為二氧化鈦摻雜的氧化錫/氧化鋅混合物，摻雜比例為 0· 5%~4. 5% mol〇
[0011] 所述酒精敏感材料的主成分為氧化錫/氧化鋅混合物，氧化錫與氧化鋅的摩爾比 為 1 :1〇
[0012] 一種半導體酒精傳感器，包括加熱和檢測部件以及由酒精敏感材料制成的敏感 層，所述酒精敏感材料為以上任一技術方案所述酒精敏感材料。
[0013] 優選地，所述加熱和檢測部件包括從下到上依次層疊的基片、加熱電極、導熱絕緣 層、檢測電極，所述敏感層附著于檢測電極的上表面。
[0014] 優選地，所述加熱和檢測部件按照以下方法制備：
[0015] 步驟1、在旋涂光刻膠的基片上光刻加熱電極圖案；
[0016] 步驟2、利用磁控濺射方法在基片表面生成加熱電極，并去除光刻膠；
[0017] 步驟3、利用物理沉積方法在帶有加熱電極的基片表面沉積導熱絕緣層；
[0018] 步驟4、將基片表面的部分導熱絕緣層刻蝕掉，形成加熱電極引腳；
[0019] 步驟5、在帶有加熱電極的基片表面旋涂光刻膠，并光刻生成檢測電極圖案；
[0020] 步驟6、利用物理沉積方法生成檢測電極，并清除光刻膠。
[0021] 優選地，所述敏感層通過脈沖激光沉積方法制備于檢測電極的上表面。
[0022] 相比現有技術，本發明具有以下有益效果：
[0023] 本發明利用Nb2O5或/和TiO 2對ZnO或/和SnO 2進行適量摻雜，極大地提高了金 屬氧化物敏感材料對酒精的靈敏度和選擇性，和其他現有金屬氧化物傳感材料對酒精靈敏 度相比，本發明酒精敏感材料對酒精的靈敏度可提高一個量級（Ra/Rg~30,可檢測10PPB 量級的酒精氣體），同時對其他可揮發有機氣體的選擇性敏感提高了 5倍（Ra/Rg對甲醛的 靈敏度~〇. 3)。
[0024] 本發明的半導體酒精傳感器具有結構簡單、集成化程度高的優點，可通過各種成 熟的半導體工藝技術來制備，實現了微氣體傳感器結構集成。
【附圖說明】
[0025] 圖1為采用半導體工藝制備加熱和檢測部件的原理示意圖；
[0026] 圖2為制備敏感層的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明：
[0028] 本發明的發明思路是通過高價氧化物半導體表面摻雜改變二價和四價氧化物半 導體的半導體性能，使金屬氧化物晶界勢皇降低，電導增大，提高材料的靈敏度和對氣體的 選擇性，同時降低材料與氣體的反應溫度。本發明具體通過五氧化二鈮或/和二氧化鈦對 氧化鋅、氧化錫或兩者混合物進行摻雜，制備出了一種酒精敏感材料，其對酒精的靈敏度相 比現有的金屬氧化物傳感材料可提高一個量級，同時對其他可揮發有機氣體的選擇性敏感 提高了 5倍，且降低了反應溫度。本發明在該酒精敏感材料的基礎上，進一步利用成熟的半 導體工藝制備半導體酒精傳感器，相比現有半導體型酒精傳感器，除了酒精敏感性和氣體 選擇性更好以外，還具有結構簡單、集成化程度高的優點。
[0029] 本發明的酒精敏感材料的主成分可以是氧化鋅（ZnO)、氧化錫（SnO2)或者兩者的 混合物，摻雜物可以是五氧化二鈮（Nb 2O5)、二氧化鈦（TiO2)或者兩者的混合物。各成分組 合下的優選配比范圍詳見表1 :
[0030] 表 1
[0031]
【主權項】
1. 一種酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料為五氧化二鈮或/和二氧化鈦 摻雜的氧化鋅，或者為五氧化二鈮或/和二氧化鈦摻雜的氧化錫，或者為五氧化二鈮或/和 二氧化鈦摻雜的氧化錫/氧化鋅混合物。
2. 如權利要求1所述酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料的摻雜物中包括 五氧化二銀，五氧化二銀的摻雜比例為〇. 1%~〇. 3% mol。
3. 如權利要求2所述酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料的摻雜物中還包 括二氧化鈦，二氧化鈦與五氧化二銀的摩爾比為5 :1。
4. 如權利要求1所述酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料為二氧化鈦摻雜 的氧化鋅，摻雜比例為1. 1%~4. 5% mol 〇
5. 如權利要求1所述酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料為二氧化鈦摻雜 的氧化錫，摻雜比例為1. 〇%~5. 9% mol 〇
6. 如權利要求1所述酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料為二氧化鈦摻雜 的氧化錫/氧化鋅混合物，摻雜比例為〇. 5%~4. 5% mol。
7. 如權利要求1所述酒精敏感材料，其特征在于，所述酒精敏感材料的主成分為氧化 錫/氧化鋅混合物，氧化錫與氧化鋅的摩爾比為1 :1。
8. -種半導體酒精傳感器，包括加熱和檢測部件以及由酒精敏感材料制成的敏感層， 其特征在于，所述酒精敏感材料為權利要求1~7任一項所述酒精敏感材料。
9. 如權利要求8所述半導體酒精傳感器，其特征在于，所述加熱和檢測部件包括從下 到上依次層疊的基片、加熱電極、導熱絕緣層、檢測電極，所述敏感層附著于檢測電極的上 表面。
10. 如權利要求9所述半導體酒精傳感器，其特征在于，所述加熱和檢測部件按照以下 方法制備： 步驟1、在旋涂光刻膠的基片上光刻加熱電極圖案； 步驟2、利用磁控濺射方法在基片表面生成加熱電極，并去除光刻膠； 步驟3、利用物理沉積方法在帶有加熱電極的基片表面沉積導熱絕緣層； 步驟4、將基片表面的部分導熱絕緣層刻蝕掉，形成加熱電極引腳； 步驟5、在帶有加熱電極的基片表面旋涂光刻膠，并光刻生成檢測電極圖案； 步驟6、利用物理沉積方法生成檢測電極，并清除光刻膠。
11. 如權利要求9所述半導體甲醛傳感器，其特征在于，所述敏感層通過脈沖激光沉積 方法制備于檢測電極的上表面。
12. 如權利要求11所述半導體酒精傳感器，其特征在于，在通過脈沖激光沉積方法制 備敏感層過程中，真空腔內氧氣壓力為30Pa，激光頻率為5Hz，激光能量為200mJ，預濺射時 間為5min，沉積時間為13. 5min，真空腔內溫度為200°C。
【專利摘要】本發明公開了一種酒精敏感材料及半導體酒精傳感器，屬于氣體檢測技術領域。本發明的酒精敏感材料為五氧化二鈮或/和二氧化鈦摻雜的氧化鋅，或者為五氧化二鈮或/和二氧化鈦摻雜的氧化錫，或者為五氧化二鈮或/和二氧化鈦摻雜的氧化錫/氧化鋅混合物。本發明半導體酒精傳感器，包括加熱和檢測部件以及由本發明酒精敏感材料制成的敏感層。本發明通過五氧化二鈮或/和二氧化鈦對氧化鋅、氧化錫或兩者混合物進行摻雜，將金屬氧化物傳感材料對酒精的靈敏度提高一個量級，對其他可揮發有機氣體的選擇性提高了5倍，且降低了反應溫度。本發明半導體酒精傳感器具有結構簡單、集成化程度高的優點，可通過各種成熟的半導體工藝技術來制備。
【IPC分類】G01N27-26
【公開號】CN104677958
【申請號】CN201510080746
【發明人】章偉, 李雨桐, 秦薇薇, 李濤
【申請人】南京益得冠電子科技有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月15日