基于蟲膠封裝/調控的場效應管氣體傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器制備技術領域，特別涉及一種基于蟲膠封裝/調控的場效應管氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子學的飛速發展及其在傳感器領域的應用，以場效應管為基礎構成的化學傳感器成為傳感器領域的一個研宄熱點，將其應用于無機和揮發性氣體的檢測已有廣泛報道。與傳統的氣體傳感器相比，基于場效應管結構的氣體傳感器除了具有靈敏度高、可在常溫下使用等優點外，還具有幾個顯著優點:
1)利用晶體管基本特性將難以檢測的高電阻變化轉變為易檢測的電流變化；
2)可通過適當選擇器件的柵極工作電壓來調節傳感器的靈敏度；
3)多參數模式更有利用氣體的識別和分析；
4)易于集成，可制備大面積傳感器陣列，便于向集成化、微型化方向發展。
[0003]然而現有的場效應管氣體傳感器能在大氣環境中穩定工作的，多為硅基場效應管，大量使用時會對環境造成污染，制備過程復雜，造價昂貴，且不易實現柔性、大面積器件；與之相對的，以天然生物材料為主的可降解襯底，造價低廉，制備過程簡單，易于制備大面積柔性器件，然而在空氣中很容易變性；同時，作為場效應管重要組成部分絕緣層來說，現有溶液法制備過程中，大量使用了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒試劑，采用水、醇溶劑體系的絕緣層材料是綠色生產的首要因素，然而現有可以溶于水或者醇中的絕緣層材料也存在大氣環境下電學性能不穩定的缺點。
[0004]蟲膠是由一種紫膠蟲寄生于一些豆科植物樹枝上吸食樹汁后分泌的一種紫紅色天然樹脂。蟲膠具有獨特的優良性能。它粘合力強，電絕緣性能好，防水，防潮，防銹，防紫外線，耐油，耐酸，可塑性強，固色性能好，對人沒有毒性和刺激性。因此，它被廣泛應用于食品、醫藥、塑料、軍事、電氣、橡膠、油墨、皮革、涂料、染料和粘合劑等行業。
[0005]因此相對于紫外固化膠等傳統封裝材料，蟲膠是一種綠色、成本低廉的替代品，將其溶于乙醇中涂覆在器件表面即可有效阻擋水氧對器件內部的侵蝕，同時由于其優良的電絕緣特性，還可有效解決以水、醇溶劑體系的絕緣層材料絕緣性能不足的問題。
[0006]眾所周知，場效應管氣體傳感器對目標氣體的響應特性，很大程度上取決于半導體層與目標氣體的接觸面積，現有的增大接觸面積的方法主要是將半導體材料制備成多種納米結構，雖然極大地改善了氣敏特性，但隨之而來的是制備過程復雜，成本大幅提高。
【發明內容】
[0007]本發明目的在于克服傳統的場效應管氣體傳感器的缺點，提供一種制備工藝簡單，生產成本低廉，綠色環保，可在大氣環境下實現對目標氣體穩定檢測的一種蟲膠封裝/調控的場效應管氣體傳感器及其制備方法。
[0008]本發明的技術方案為: 基于蟲膠封裝/調控的場效應管氣體傳感器，從下到上依次為可降解襯底、柵電極、絕緣層、半導體層、源電極和漏電極，所述絕緣層和半導體層之間設置有蟲膠層。
[0009]進一步地，所述蟲膠層厚度為50 nm~100 nm。
[0010]進一步地，所述絕緣層為采用水、醇類做溶劑的材料，包括絲素蛋白、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚已內酯中的一種，厚度為300 nm~500 nm。
[0011]進一步地，所述可降解襯底的材料為植物纖維、纖維蛋白凝膠、明膠、聚乳酸、病毒纖維素、聚乳酸-羥基乙酸共聚物中的一種或多種。
[0012]進一步地，所述半導體層為氧化鋅、氧化錫、碳納米管、氧化石墨烯，聚3，4_乙撐二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸鹽，含硅氧烷的聚異戊二烯衍生物中的一種，所述半導體層厚度為 30 nm ~ 100 nm。
[0013]進一步地，柵電極、源電極和漏電極由金、銀、銅或鋁及其合金材料中的一種制成，源電極和漏電極的厚度為30 nm ~ 80 nm。
[0014]本發明還公開了一種基于蟲膠封裝/調控的場效應管氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟:
①先對可降解襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；
②在可降解襯底表面制備柵電極；
③在所述柵電極上面制備絕緣層并對絕緣層進行處理；
④在所述絕緣層上制備蟲膠層；
⑤對器件加熱，使得蟲膠層處于熱熔狀態；
⑥對處于熱熔狀態的蟲膠進行圖案化處理；
⑦迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠層發生熱聚合反應，固化；
⑧在蟲膠層上制備半導體層；
⑨在半導體層上制備源電極和漏電極。
[0015]進一步地，步驟④中，蟲膠層采用旋涂法或滴涂法制備，步驟⑤中，蟲膠熱熔狀態加熱溫度為70 0C-90 °C，步驟⑥中，蟲膠圖案化處理采用壓印、刷涂或刮涂中的一種方法，步驟⑦中，蟲膠熱聚合為120 0C -150 °C，加熱時間為0.5 h~l h。
[0016]進一步地，步驟②⑨中，柵電極、源電極、漏電極是通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積、絲網印刷、打印或旋涂中的一種方法制備，所述步驟⑧中，所述半導體層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或噴涂中的一種方法制備。
[0017]本發明中，引入蟲膠層，因其獨特的材料特性，在常溫下為固體，受熱時一般在75°C左右開始熔化，120°C左右成為流體，如在此溫度下繼續受熱，它的聚合反應很慢。溫度繼續升高時，隨著受熱時間的延長，聚合反應迅速進行，蟲膠的平均分子量不斷增大，粘度逐漸增加，軟化點逐步升高，顏色加深，熱硬化時間隨之不斷縮短，熱乙醇不溶物不斷增加，逐漸變稠失去流動性，經橡膠狀階段，最后變成在溶劑中不溶解、加熱也不熔化的角質狀三維網狀聚合物。基于此種特性，當采用蟲膠作為封裝層時，可將蟲膠加熱至熔化狀態，然后采用刷涂或壓印在其表面形成溝壑等圖案，隨后迅速加熱，使其發生熱聚合，快速固化。從而使得生長于蟲膠層上面的半導體層具有更復雜的表面積。
[0018]與現有技術相比，本發明的優點在于: 一、通過引入蟲膠層，實現對可降解襯底以及絕緣層的綠色封裝，既能使可降解襯底在大氣環境中保持穩定，又可使以水、醇為溶劑的絕緣層保持良好的電學特性；
二、該氣體傳感器通過單一的蟲膠層，既可實現對可降解襯底及絕緣層的封裝，又能對半導體層形貌進行調控，輔以合適的半導體層，即可實現在復雜環境中對氣體實現高靈敏、低成本和穩定檢測；
三、相對與傳統硅基場效應管氣體傳感器，本發明可在大氣環境下持續穩定工作，且所需材料、制備過程綠色無污染；
四、蟲膠來源廣泛，易溶于乙醇，便于溶液法制備蟲膠薄膜，成本低廉，制備工藝簡單，同時基于其獨特的熱熔與熱聚合特性，可以很方便的制備出多種圖案，無需引入其他光刻材料和處理過程，易于實施，方法可靠。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的結構示意圖；
圖中:1_可降解襯底，2-柵電極，3-絕緣層，4-蟲膠，5-半導體層，6-源電極，7-漏電極；
圖2是實施案例I制備的器件在不同濃度的二氧化氮氣體氛圍下的連續響應曲線，可以看出添加蟲膠層后對二氧化氮具有明顯響應；
圖3是實施案例4制備的器件在不同濃度的氨氣氛圍下的響應曲線，添加蟲膠層后對氨氣具有明顯響應；
圖4是實施案例I制備的器件在不同濕度條件下，器件性能的變化，其中Λ*為飽和電流、#為載流子迀移率、Ki為閾值電壓、為亞閾值斜率，可以看出器件在不同濕度下性能穩定，蟲膠層有效阻止了水氣對絕緣層的侵蝕，起到了很好的封裝效果。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0021]參照圖1，本發明的一種蟲膠封裝/調控的場效應管氣體傳感器，包括可降解襯底
1、柵電極2、絕緣層3、蟲膠層4、半導體層5、源電極6和漏電極7，所述柵電極2設置與可降解襯底I之上，絕緣層3設置于柵電極2之上，蟲膠層4設置于絕緣層3與半導體層5之間，源電極6和漏電極7分別設置于半導體層5之上。
[0022]以下是本發明的具體實施例:
實施例1:
如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:可降解襯底為植物纖維，柵電極為鋁，厚度為30 nm，絕緣層采用溶于水中的聚乙烯醇溶液制備，厚度為300 nm，蟲膠層采用10 wt%的溶液制備，厚度為50 nm，半導體層為氧化鋅，厚度為30 nm，源電極和漏電極均為Au，厚度為30 nm,該結構可實現對二氧化氮的有效檢測。
[0023]制備方法如下:
①對可降解襯底進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②在可降解襯底表面濺射柵電極；
③在所述柵電極上面旋涂絕緣層并對絕緣層進行處理； ④在所述絕緣層上采用旋涂法制備蟲膠層；
⑤將器件加熱至70°C，使得蟲膠層處于熱熔狀態；
⑥采用壓印法對處于熱熔狀態的蟲膠進行圖案化處理；
⑦迅速提高器件溫度至120°C，使得蟲膠層發生熱聚合反應，固化0.5 h;
⑧在蟲膠層上通過等離子體增強的化學氣相沉積制備半導體層；
⑨在半導體層上采用真空蒸鍍法制備源電極和漏電極。
[0024]實施例2:
如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:可降解襯底為纖維蛋白凝膠，柵電極為鋁，厚度