气敏传感器件及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种室温下NH3气敏传感器件及制备方法。
【背景技术】
[0002]气体传感器是一种气体检测装置，能将被测气体的浓度按一定规律转变成电信号或者其他形式的信号输出。随着工业生产及国民生活水平的提高，气体传感器的需求越来越大，尤其是有毒有害气体传感器。现代工业中排放的废气，机动车排放的尾气及家庭生活产生的燃烧气体等有毒有害气体，对地球环境和人类健康造成了极大的危害，各国纷纷出台各类有毒有害气体的减排政策和安全浓度标准。与此同时，价格低廉、性能优异的各类气体传感器几十年来一直是研究热门领域。
[0003]氨气，化学式NH3,—种无色刺激性气体，常见于化工化肥、生物制药等领域。其国家安全标准浓度为室内39.52ppm，而美国劳工部职业安全卫生管理局规定的允许浓度为SOppmc3NHs传感器的分类众多，半导体材料传感器属于应用最广，历史最久的一类器件，例如基于W03、Zn0等材料，其工作原理为吸附气体前后引起电阻/电导率的变化。此外还有基于红外吸收及荧光发射的光学传感器、基于变色原理和Ph值变化等化学传感器以及近年来研究较多的低微新型纳米材料传感器等。然而绝大多数NH3传感器，具有工作温度高(200-500°C)，响应及恢复时间慢(几十秒到数十分钟)，制备工艺复杂，成本高，体积大(附加加热基板、光学器件、计算机等外设)、寿命低等缺点，限制了其在NH3检测领域的发展及推广。
[0004]硅片表面微构造是利用物理或化学方法，在硅片表面形成准周期性微结构，能明显降低表面接受光反射，提高光吸收率，因而数十年来广泛应用于太阳能光伏产业、光电探测等光学领域，其刻蚀方法简单，成本较低。微构造方法有很多，例如超快激光刻蚀或化学试剂腐蚀等，而不同的构造方法形成的表面微结构又有所不同。由于表面微结构适度提高了硅片的比表面积，利于吸附气体。本发明的表面微结构硅材料不同于高比表面积的体材料如多孔硅等:气体吸附、脱附慢为其固有缺点，因此可以用于NH3快速传感领域。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服传统半导体气体传感器工作温度高，响应时间和恢复时间慢，以及新型低微纳米传感器的制备工艺复杂及成品率低等缺点，提供一种制备工艺及器件结构简单，成本相对较低，气体响应和恢复速度快的硅基NH3气敏传感器件及制备方法，该传感器件可对ppm级低浓度NH3气体实现快速检测。
[0006]本发明提供的室温下NH3气敏传感器件，是利用物理或化学刻蚀方法，在单晶硅片表面形成准周期性微结构，并通过热蒸发镀膜形成电极而得到。
[0007]本发明中，所述硅片为P型，晶向(100)，电阻率为1-10 Ω.?。
[0008]本发明中，所述热蒸发的金属电极厚度为200-600nm，电极尺寸大小0.3cm X
0.3cm，电极间距为0.2-0.3cm，电极材料为常见的金属电极材料，例如铝。
[0009]本发明中，所述硅片表面准周期性微结构尺度为1-10微米。
[0010]本发明中，所述在单晶硅片表面形成准周期性微结构的方法可为物理或化学刻蚀方法，如超快激光刻蚀方法或者化学试剂腐蚀方法等。
[0011 ]本发明提供的室温下NH3气敏传感器件，对NH3气敏特性表现为在置于NH3气体氛围中，其前后电阻/电导率的变化，即属于电阻/电导型。
[0012]本发明提供的上述NH3气敏传感器件的制备方法，具体步骤如下:
步骤1:单晶硅片的清洗处理
具体操作可采用标准清洗法清洗所述P型单晶硅片，去除硅片表面的有机沾污、氧化膜及颗粒和金属等沾污，用氮气枪吹干；
步骤2:采用物理方法或化学方法在单晶硅片表面形成准周期性微结构，得到起绒硅片;其中，物理方法为:
(1)激光刻蚀
将经上述清洗的硅片，置于不锈钢密闭腔中，对腔体抽真空，随后充入75-85Kpa(例如70Kpa)氛围气体，如六氟化硫或三氟化氮等化学辅助激光刻蚀气体，采用500-800nm，80-200f s范围内超快激光脉冲，对硅片表面烧蚀出周期性尖峰结构；
(2)将经激光刻蚀的硅片放入质量浓度为30%-40%的KOH溶液中，水浴恒温75-85°C(例如80°C)，反应时间为l_2min，均匀削除刻蚀硅表面峰状结构的顶端部分，在单晶硅片表面形成准周期性微结构，得到起绒硅片；
化学方法为:
(1)配置NaOH和异丙醇的混合溶液，其中，NaOH质量浓度为2.5-3.53%(例如3%)，异丙醇的体积浓度为8-12%(例如10%)，使用智能电控恒温水浴加热到75-85 °C(例如80°C)；
(2)将经步骤I处理的硅片放入步骤2得到的混合溶液中，进行化学刻蚀，反应时间为25-35 min(例如30min)，在单晶娃片表面形成准周期性微结构，得到制绒娃片；反应时，反应容器需加盖，以防止异丙醇过度蒸发导致硅片制绒的不均匀；
步骤3:采用热蒸发镀膜或磁控溅射等方法制备金属电极；
步骤4:将上述制备了电极的硅片，置于室温空气下进行自然钝化，即得到NH3气敏传感器件。
[0013]本发明优点:
1.方法简单低廉，工艺成熟，适合大批量工业化生产；
2.本发明得到的传感材料在室温下对NH3气体具有高速响应特点。以50ppm浓度NH3测试为例，室温为25°C，Iatm大气压强下，其平均响应时间为2_5秒，恢复速度在5秒以内，灵敏度为1.88，具有很快的响应时间和恢复时间；
3.本发明得到的传感材料在室温下对NH3气体具有较高的选择性响应。在1-1 OOOppm浓度内，本传感材料仅对NH3气体有显著响应，对H2、C2H5OH、HCl、H2O2、CH3COCH3等有害气体基本无响应。
【附图说明】
[0014]图1所示为依据本发明制备的NH3气敏传感材料的结构示意图。
[0015]图2所示为依据本发明物理方法制备的NH3气敏传感材料的扫面电子显微镜照片。
[0016]图3所示为依据本发明化学方法制备的NH3气敏传感材料的扫面电子显微镜照片。
[0017]图4所不为依据本发明制备的NH3气敏传感材料在室温下分别对5-100ppm氨气的动态响应曲线。
[00?8]图中标号:I为单晶娃衬底，2为娃片表面微结构，3为金属电极，4为欧姆表。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0020]实施例1
选择晶向(100)的P型单晶抛光硅片，电阻率1-10 Ω.Cm，厚度250μπι。采用物理方法制备具有表面微结构的室温NH3气敏传感材料。该方法包括如下步骤:
步骤1:将硅片置于丙酮中进行超声清洗15分钟，用去离子水冲洗30秒；
步骤2:将上述工艺得到的所述硅片置于乙醇中