一种纳米线气体传感器及电子鼻系统的制作方法

文档序号:22289197发布日期:2020-09-23 00:48阅读:47来源:国知局
一种纳米线气体传感器及电子鼻系统的制作方法

本实用新型属于电子技术领域,尤其涉及纳米线气体传感器及电子鼻系统。



背景技术:

与其他类型的气体传感器(如电化学、催化燃烧、吸收光谱等)相比,半导体气体传感器具有成本低、体积小、可集成等优势。目前,产业化的半导体气体传感器,主要采用sno2纳米颗粒作为敏感材料(journalofindustrialandengineeringchemistry,44,2016,1–22)。但是,纳米颗粒之间存在大量的孔隙和晶界缺陷,这劣化了敏感材料的稳定性和可靠性;而且,sno2纳米材料需要在高温下(200~500℃)才对气体分子敏感,因此传感器的加热功耗很大(约1w量级)。即使采用微热板加热,传感器的加热功耗仍有几十毫瓦。

此外,sno2气体传感器,对于不同的氧化性(或还原性)气体,均有一定的灵敏度,无法辨别气体成分(即选择性较差)。为了解决选择性问题,人们提出了“电子鼻”的方法——采用传感器阵列,来辨别气体成分。其中,不同传感器对特定气体的灵敏度存在差异,通过比较不同传感器之间的响应差异,可以实现对气体成分的辨别。并且,传感器的种类和数量越多,电子鼻的识别能力越强。但是,当前微热板尺寸仍然较大(约百微米量级),无法实现大规模集成。因此,传感器的大规模集成能力,是面临的另一挑战。

纳米线器件具有大规模集成的潜力,但是现有纳米线气体传感器仍未实现传感器阵列的大规模集成,也无法识别气体成分。因此,需要解决纳米线气体传感器的大规模集成工艺、以及实现气体成分的识别功能。



技术实现要素:

本实用新型提供了一种纳米线气体传感器及电子鼻系统,旨在解决传统技术纳米线气体传感器的大规模集成技术,从而解决气体成分识别的问题。

本实用新型是这样实现的,一种纳米线气体传感器,所述纳米线气体传感器包括衬底和多根纳米线,多根所述纳米线设置在所述衬底的上表面,每个所述纳米线的两端均设置有电极,多根所述纳米线的表面分别覆盖多种表面修饰层。

在其中一个实施例中,多种所述纳米线平行排列在所述衬底的上表面。

在其中一个实施例中,多种所述纳米线包括元素半导体纳米线、金属氧化物半导体纳米线和化合物半导体纳米线中的至少一种。

在其中一个实施例中,化合物半导体纳米线为氮化物半导体纳米线。

在其中一个实施例中,多种所述表面修饰层包括金属催化剂镀层、金属氧化物催化剂镀层、氧化层和半导体金属氧化物层中的至少一种。

在其中一个实施例中,所述表面修饰层和所述纳米线形成芯包层结构。

在其中一个实施例中,所述衬底为蓝宝石衬底或石英衬底。

本实用新型实施例还提供一种电子鼻系统,所述电子鼻系统包括如上述的纳米线气体传感器。

本实用新型实施例通过单根纳米线(或有限根数的纳米线)形成独立纳米线器件,从而形成纳米线器件阵列。通过多根纳米线的表面分别覆盖多种表面修饰层,使得不同的纳米线器件具备不同的气体响应特性,从而实现气体成分识别。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术实用新型,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的纳米线气体传感器的一种结构示意图;

上述图中标号含义如下:

1.1、1.2、……至1.n+1-纳米线;2-衬底;4-表面修饰层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1示出了本实用新型实施例提供的纳米线气体传感器的结构,为了便于说明,仅示出了与本实用新型实施例相关的部分,详述如下:

纳米线气体传感器,如图1所示,包括衬底2和多根纳米线1.n,多根所述纳米线1.n设置在所述衬底2的上表面,每个所述纳米线1.n的两端均设置有电极,多根所述纳米线1.n的表面分别覆盖多种表面修饰层4。

通过每个所述纳米线1.n的两端均设置有电极,单根纳米线(或有限根数的纳米线)形成独立纳米线器件,从而形成纳米线器件阵列。通过多根所述纳米线1.n的表面分别覆盖多种表面修饰层4,使得不同的纳米线器件具备不同的气体响应特性,从而实现气体成分识别。

具体实施中,多种所述纳米线1.n平行排列在所述衬底的上表面。

其中,多种所述纳米线1.n包括半导体纳米线中的至少一种。

半导体纳米线材质包括元素半导体(如硅和锗等)、金属氧化物半导体(如sno2、ga2o3和zno等)、以及化合物半导体(如gaas、inp和gan等),其中优选氮化物纳米线(如gan、algan、inalgan和ingan等)。

其中,所述氮化物纳米线通过紫外光照可以实现在室温下工作(即无需高温加热)。其中的紫外光照的波长可以是小于380nm的紫外光。通过改变紫外光照的强度,可以调节敏感特性。紫外光照强度约1mw/cm2时,对氧气敏感;当紫外光强度降低(如光强<0.1mw/cm2)时,对氧气的敏感度降低。

敏感度是指纳米线表面接触待测气体时,纳米线电阻值的变化率,即阻值改变量占原阻值的比例,也可称为灵敏度或响应度。

其中,所述氮化物纳米线,通过增加紫外光照强度,可以增加对氧气的敏感度,而对乙醇等voc气体的敏感度较差(例如对浓度小于500ppm的乙醇灵敏度接近零),因此对氧气具有良好的选择性。其中的紫外光照强度可以在100μw/cm2至10mw/cm2之间。

其中,多种所述表面修饰层包括金属催化剂镀层、金属氧化物催化剂镀层、氧化层、钯镀层和半导体金属氧化物层中的至少一种。

对于氮化物纳米线,表面修饰层采用钯镀层(在氮化物纳米线表面镀钯),可以提高对氢气、甲烷和一氧化碳的敏感度。

对于氮化物纳米线,表面修饰层采用半导体金属氧化物层(在氮化物纳米线表面镀半导体金属氧化物薄膜),可以提高对乙醇、甲醛等voc气体的敏感度。调节金属氧化物薄膜的厚度,可以调节对不同气体的敏感度。半导体金属氧化物可以为sno2、in2o3、ga2o3、zno和tio2。

采用氮化物纳米线这种新型敏感材料(氮化物属于第三代半导体材料),具有更好的化学稳定性(如耐酸碱腐蚀)、物理稳定性(如耐高温),而且无需加热(低功耗)。

具体实施中,所述表面修饰层4和所述纳米线1.n形成芯包层结构。

对于氮化物纳米线,表面修饰层采用氮氧化层(对氮化物纳米线表面进行氧化),形成氮化物和氮氧化物的芯包层结构,可以提升纳米线对甲烷和voc(volatileorganiccompound,挥发性有机化合物)气体的敏感度。氮氧化层的厚度在1nm至100nm之间。

所述衬底2可以为蓝宝石衬底或石英衬底。

通过采用纳米线器件阵列,并且不同的纳米线器件进行不同的表面修饰,由于光照强度、催化剂种类、催化剂厚度、以及氧化层厚度的不同,使得不同的纳米线器件对同种气体的敏感度不同,因此对不同纳米线器件的输出信号进行对比和分析,可以实现气体成分的识别。本实用新型实施例所采用的纳米线易于大规模集成。例如:对于直径100nm的纳米线,如果一千根纳米线(假设一根纳米线就构成一个传感器,则一共有一千个传感器)平行排列,其横向尺寸最小仅约0.1毫米。因此,具有大规模集成能力。并且这一千个器件,可以共用一个led光照,因此纳米线器件的数量增加不会增加光照功率。

一种电子鼻系统,所述电子鼻系统包括如上述的纳米线气体传感器。

电子鼻系统,是采用纳米线阵列,不同的纳米线进行不同的表面修饰(比如光照强度、镀金属催化剂、镀金属氧化物催化剂、以及表面氧化程度)以形成不同的表面修饰层,由于光照强度、催化剂种类、催化剂厚度、以及氧化层厚度的不同,使得不同的纳米线对同种气体的敏感度不同,因此对不同纳米线的输出信号进行对比和分析,可以实现气体成分的识别。

以最简单的电子鼻系统为例:两个纳米线分别构成器件a和器件b,器件a和器件b组成电子鼻,器件a的氧气敏感度比器件b的高,器件b的氢气敏感度比器件a的高。当只通入一种气体时(如氧气或氢气),如果器件a的响应度比器件b的高,则可以判定是氧气,反之则是氢气。通过对器件a和器件b的信号值进行运算,可以识别氢气和氧气的混合气体中,氢气和氧气各占多少比例。以此类推,当纳米线器件的数量和种类越多,可识别的气体成分越多、精度也越高。

本实用新型实施例通过单根纳米线(或有限根数的纳米线)形成独立纳米线器件,从而形成纳米线器件阵列。通过多根纳米线的表面分别覆盖多种表面修饰层,使得不同的纳米线器件具备不同的气体响应特性,从而实现气体成分识别。

以上仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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