专利名称：一种多层薄膜otft甲醛气体传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统气体传感器和有机/无机纳米复合材料领域，具体涉及一种基于有机半导体材料-无机纳米金属氧化物的多层薄膜OTFT甲醛气体传感器及其制作方法。
背景技术：
甲醛是一种对身体健康有着很大危害的有机挥发物。美国环保总署EPA早在1998年就宣布甲醛为导致急性呼吸系统疾病的物质，当人吸入甲醛后，会出现头痛、疲倦、咳嗽、哮喘等症状；世界卫生组织将其列为“可能令人类致癌物质”。因此，对甲醛等室内空气污染气体的检测成为当今科学界的研究热点和重要课题之一。近年来各国对各种以甲醛为主的室内空气污染物的检测已有不少研究，主要包括有色谱法、无机半导体气敏传感器法、红外光谱法和声表面波传感器法等。色谱技术及色谱一质谱联用技术需要30 min甚至更久的时间才能检测到80 ppb的甲醛，是目前检测室内挥发性气体的常用技术之一，但存在着灵敏度、选择性和采样时间等问题。日本的Y. Sekine等人将比色分析与通过IT网络的图像传输集成在一起来检测甲醛气体，但这并不能改变其响应时间慢的问题，因此这一缺点导致其离现场实时快速测定的要求尚有较大距离。无机氧化物半导体气体传感器的研制及其对易燃、易爆、有毒气体的气敏特性研究已有广泛报道，但该类传感器存在价格昂贵、工作温度高、体积大及响应时间慢等缺点。日本的L. Q. Shi及其小组采用射频感应等离子体反应沉积多孔型Sn02膜，用于检测甲醛和N02气体。该敏感膜具有不同尺寸的纳米颗粒，因此灵敏度较高，最低检测浓度为20ppb,但存在响应时间长和工作温度高的问题。Chen Xingru等采用乳液法制备了纳米氧化铟材料，并进行了氧化铬掺杂，探测甲醛浓度下限可达到O. 3ppm，该器件无法在室温条件下工作，同时存在功耗较大的问题。此外，韩国的Hyejung Seo等人将2MP、3MP和4MP等材料以单分子层的形式制备在压阻式的悬臂梁器件上来测试甲醛，测试结果表明，虽然该类传感器对甲苯、苯、二甲苯等响应较差，而对甲醛具有较大的灵敏度，但响应时间长，且恢复性较差，极大地限制了该类传感器的实际应用。日本的K. Kawamura及其小组根据AHMT材料与甲醛反应后颜色发生变化的基本原理，采用光电二极管测试反应光的密度来标定甲醛的浓度，该方法虽然检测浓度较低，但系统构建复杂。Kudo Hiroyuki等报道了一种高灵敏的光纤光学生化传感器，利用甲醛脱氢酶(FALDH)反应的产物NADH的荧光特性来测试甲醛，测试极限可达到0.75ppb。Ma Qiang等报道了基于CdTe量子点/PDDA层层自组装薄膜的甲醛气体传感器，其检测原理是利用所制备薄膜的荧光淬灭效应，测试甲醛浓度范围为5 500ppb。刘世伟等通过牺牲模板法合成了具有空心结构的纳米金催化剂。把该催化剂作为工作电极的活性物质，以lmol / LKOH为电解质，组装了电流型甲醛气体传感器。在甲醛气体浓度为O
2.23X10_6mol / L范围内对传感器进行了性能测试。该传感器灵敏度高于同载量实心金纳米催化剂组装的传感器70%左 右，达到了降低贵金属用量的目的。具有较快的响应时间、良好的重现性和良好的线性关系等优点，可用于适当浓度范围内的甲醛气体检测。郭辉辉等报道了一种基于高分子薄膜溶胀效应的新型MEMS压阻式甲醛气体传感器，其结构由嵌入惠斯通电桥的硅桥和一层改性丙烯酸酯气敏薄膜构成，敏感薄膜因吸收甲醛气体发生溶胀，使硅桥上的惠斯通电桥产生输出电压，从而实现对甲醛气体的检测。测试结果表明该传感器分辨率为IOX 10_6，响应时间和恢复时间分别为50s和65s。而在甲醛传感器相关专利方面，所报道的大多采用电阻式结构，未见有基于OTFT器件结构的甲醛传感器专利报道。作为MEMS微气体传感器的另一典型代表，OTFT气体传感器在化学气体和生化探测方面也受到了越来越多的关注，具有非常好的应用前景。同传统的气体传感器相比，基于OTFT结构的气体传感器除了具有灵敏度高、可在常温下使用等优点外，还具有以下几个显著优点利用晶体管基本特性将难以检测的高电阻变化转变为易检测的电流变化；可通过适当选择器件的栅极工作电压来调节传感器的灵敏度；多参数模式更有利用气体的识别和分析；通过对有机物分子的化学修饰可以方便地调节传感器的电性能，提高灵敏度；有机物柔韧性好，可以弯曲，易于制成各种形状；易于集成，可制备大面积传感器阵列。因此，OTFT气体传感器较传统的气体传感器制造成本低，且对微小环境的研究能力强，便于现场应用与携带；而利用微电子及微加工技术，OTFT可以方便地制成阵列，并可以与测量分析系统集成为片上系统(System on chip，S0C)，且集成后阵列系统的尺寸相对也较小。剑桥大学、东京大学、宾夕法尼亚大学、普林斯顿大学及贝尔实验室、IBM、施乐、Epson等科研院所都开展了 OTFT及其应用方面的工作。尽管目前所报道的大多数OTFT化学传感器用于检测氨气、二氧化氮、醇类气体等，并没有被明确地指出应用于室内空气污染物的检测。国内方面，以长春应化所、中科院化学所、清华大学、北方交通大学、中电集团26所、吉林大学和电子科技大学等为代表的研究单位相继开展了 OTFT的研究工作，但将OTFT应用于传感器领域的研究则不多。在OTFT甲醛气体传感器方面，费跃等人制备了碳纳米管基场效应晶体管甲醛气体传感器，测试了浓度为500ppm的甲醛。严剑飞等人制备了基于钛菁铜的OTFT气体传感器，检测到了浓度为290 ppm的甲醛气体，但该传感器的稳定性和重复性较差。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是现有的甲醛气体传感器存在选择性差、响应时间慢、灵敏度低、稳定性和重复性较差。本发明的发明目的为提供一种多层薄膜OTFT甲醛气体传感器及其制作方法，该甲醛传感器制备简单、选择性好、灵敏度高、可室温工作，在环境监测领域具有广泛的应用前景。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
提供一种多层薄膜的OTFT甲醛传感器，其特征在于为底栅底接触器件构型，设有源
a、漏b、栅c三极，源极和漏极之间的沟道设计为叉指结构；其中源极和漏极为金/钛双层膜，以金材料做电极层，钛材料作为过渡层；源极和漏极之间设置敏感薄膜，该敏感薄膜为有机半导体材料-无机纳米氧化物多层薄膜。
所述敏感薄膜的层数为2 4层。所述源极和漏极的宽度和长度分别为1000 5000 μ 111和5 25 μ m，厚度为50 150nm，绝缘层厚度为90 300nm。按照本发明所提供的多层薄膜OTFT甲醛传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤
①采用具有外延层、单晶硅器件层的硅片作为衬底，并进行标准清洗；
采用干氧-湿氧-干氧顺序的热氧化方法制备二氧化硅绝缘层；
@采用磁控溅射法沉积Ti/Au双层膜；
④对Ti/Au双层膜进行光刻、刻蚀、去胶和标准清洗工艺；
③划片；
@采用60 μ m硅铝丝分别在源漏栅三端极引出测试线路，其中背栅极采用导电胶烧结的方法连接，源漏电极采用压焊的方法实现连接；
采用气喷、电喷、旋涂或气喷与真空蒸发相结合的工艺制备有机半导体 无机纳米氧化物多层薄膜。按照本发明所提供的多层薄膜OTFT甲醛传感器的制备方法，其特征在于，其中步骤①所述硅片衬底厚度为300 600 μ m,电阻率小于O. 02 Ω · cm,外延层厚度为5 15 μ m，电阻率为 2. O 8. O Ω · cm。所述步骤@中的二氧化硅介质层厚度为100 300 nm。所述步骤 所述有机半导体-无机纳米氧化物复合薄膜中，有机相为导电聚合物类(如聚噻吩类)、低聚物类(六噻吩类)及小分子材料(如酞菁类)，无机相为纳米ZnO、IndiumTin Oxide (ITO)、Ti02、Fe203、W03等纳米金属氧化物；有机半导体 无机纳米氧化物复合薄膜的厚度为70-200 nm。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
1、采用MEMS技术制备OTFT器件，具有体积小、成本低、可集成阵列等优点；
2、将有机半导体材料与无机纳米氧化物相结合，在实现甲醛气体检测的同时，解除了传统OTFT器件材料选择的局限性；
3、采用P型有机半导体材料和η型纳米金属氧化物材料制备多层膜，该多层膜同时也是异质结结构的一种，该结构为OTFT气体传感器的材料选择提供了新的思路；
4、采用气喷、电喷、旋涂或真空蒸发等薄膜制备工艺或相结合工艺，为甲醛传感器敏感薄膜制备提供了更多工艺的选择性；
5、采用多层膜的方式制备敏感薄膜，大大提高甲醛传感器的灵敏度和响应速度；
6、基于OTFT结构的甲醛传感器，具有可室温下工作的优点；
7、0TFT传感器具有漏电流、阈值电压、开关电流比和迁移率等多参数检测的特点，这是电阻式或红外式甲醛传感器所不具有的特点，将纳米复合材料、薄膜工艺与MEMS工艺相结合，简化了器件制备工艺，提高了器件性能，为OTFT甲醛传感器的制备与应用开辟了新的途径。
图I是本发明所提供的OTFT甲醛传感器结构截面图(沿着其中一条沟道方向切#lj)；
图2是本发明所提供的源漏电极形状俯视 图3是本发明所提供的双层薄膜OTFT甲醛传感器对20 ppm甲醛的时间-灵敏度响应曲线；
图4是与本发明所提供的双层薄膜OTFT甲醛传感器性能相比较，所提供的单一薄膜OTFT甲醛传感器对40 ppm甲醛的时间-灵敏度响应曲线。附图标记a为源极、b为漏极、c为栅极。
具体实施例方式下面将结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的描述。采用MEMS技术工艺和薄膜制备的多层薄膜OTFT甲醛气体传感器，结合图I所示，采取η型硅衬底，热氧化的方法制备绝缘层二氧化硅，金作为电极，钛作为过渡层，电极层位于过渡层之上，目的是为了增强粘附性，源极a、漏极b和栅极c三端电极分别具有用于测试的外引线。本发明利用OTFT传感器结构本身的特性，在硅片衬底直接采用导电胶烧结的方法引出栅极，大大简化了制备工序，并提高了器件的性能。结合图2所示，是OTFT源漏电极的图形设计，沟道设计为叉指结构，用以增加沟道宽长比，以提高器件的跨导。所示OTFT器件沟道的宽和长分别为4000 μ m和25 μ m，这一尺寸主要是同时考虑MEMS制造工艺的易实现性和OTFT器件的敏感特性两个方面。在敏感薄膜制备之前，首先对所制备的OTFT器件进行表面预处理。将OTFT器件依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中超声清洗。烘干备用。将3-己基噻吩的聚合物P3HT溶解在浓度为5mg/ml的三氯甲烷溶剂中,将纳米氧化锌溶液溶解在浓度为5mg/ml的无水乙醇溶剂中。采用气喷工艺，首先在OTFT器件上气喷一层纳米氧化锌薄膜(图I-Fl层)，烘干，以完全去除溶剂；沉积P3HT薄膜前，将器件冷却到室温下，采用气喷工艺制备一层P3HT薄膜(图1-F2层)，烘干去除溶齐IJ。测试。如图3所示，为本发明所提供的基于P3HT_Zn0双层薄膜的OTFT甲醛传感器对20ppm甲醛的时间-灵敏度响应曲线。为了与多层薄膜OTFT甲醛传感器相比较，在相同条件下，制备了单一 P3HT薄膜OTFT甲醛传感器并进行了测试。结果发现，单一 P3HT薄膜OTFT甲醛传感器对20 ppm的甲醛没有表现出明显的变化，其对40 ppm甲醛气体有一定响应，如图
4所示。可见，单一 P3HT薄膜OTFT甲醛传感器吸附甲醛气体后无法解析，而基于P3HT-Zn0多层薄膜的OTFT传感器则具有更好的响应和恢复性能。
权利要求
1.一种多层薄膜OTFT甲醛传感器，其特征在于为底栅底接触器件构型，设有源极、漏极、栅极，源极和漏极之间的沟道设计为叉指结构；其中源极和漏极为金/钛双层膜，以金材料做电极层，钛材料作为过渡层；源极和漏极之间设置敏感薄膜，该敏感薄膜为有机半导体材料-无机纳米氧化物多层薄膜。
2.根据权利要求I所述的多层薄膜OTFT甲醛传感器，其特征在于，所述敏感薄膜的层数为2 4层。
3.根据权利要求I所述的多层薄膜OTFT甲醛传感器，其特征在于，所述源极和漏极的宽度和长度分别为1000 5000 i! m和5 25 u m,厚度为50 150nm，绝缘层厚度为90 300nmo
4.多层薄膜OTFT甲醛传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤 采用具有外延层、单晶硅器件层的硅片作为衬底，并进行标准清洗； @采用干氧-湿氧-干氧顺序的热氧化方法制备二氧化硅绝缘层； @采用磁控溅射法沉积Ti/Au双层膜； 对Ti/Au双层膜进行光刻、刻蚀、去胶和标准清洗工艺； _划片； ⑥采用60y m硅铝丝分别在源漏栅三端极引出测试线路，其中背栅极采用导电胶烧结的方法连接，源漏电极采用压焊的方法实现连接； ⑦采用气喷、电喷、旋涂或气喷与真空蒸发相结合的工艺制备有机半导体 无机纳米氧化物多层薄膜。
5.根据权4所述的多层薄膜OTFT甲醛传感器的制作方法，其特征在于，其中步骤①所述硅片衬底厚度为300 600 u m,电阻率小于0. 02 Q cm,外延层厚度为5 15 y m，电阻率为 2. 0 8. 0 Q cm。
6.根据权4所述的多层薄膜OTFT甲醛传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤■!中的二氧化娃介质层厚度为100 300 nm。
7.根据权4所述的多层薄膜OTFT甲醛传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤⑦所述有机半导体-无机纳米氧化物复合薄膜中，有机相为导电聚合物类、低聚物类及小分子材料，无机相为纳米ZnO、Indium Tin Oxide (HO)、Ti02、Fe203、WO3等纳米金属氧化物；有机半导体-无机纳米氧化物复合薄膜的厚度为70 200 nm。
全文摘要
本发明公开了一种多层薄膜OTFT甲醛传感器及其制作方法，为底栅底接触器件构型，设有源a、漏b、栅c三极，源极和漏极之间的沟道设计为叉指结构；其中源极和漏极为金/钛双层膜，以金材料做电极层，钛材料作为过渡层；源极和漏极之间设置敏感薄膜，该敏感薄膜为有机半导体材料-无机纳米氧化物多层薄膜。本发明将有机半导体材料与无机纳米氧化物相结合，采用多层膜的方式制备敏感薄膜，大大提高了传感器的灵敏度和响应速度，在实现甲醛气体检测的同时，解除了传统OTFT器件材料选择的局限性，并采用MEMS技术制备OTFT器件，具有体积小、成本低、可集成阵列等优点，为OTFT甲醛传感器的制备与应用开辟了新的途径。
文档编号B81C1/00GK102636544SQ20121011942
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者但文超, 太惠玲, 李娴, 蒋亚东 申请人:电子科技大学