一种薄膜芯片气体传感器的制备方法
【专利摘要】本发明属于气敏材料与元件【技术领域】，具体是涉及一种薄膜芯片气体传感器的制备方法。包括以下步骤：步骤一、制备一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，得到半导体气敏元件；步骤二、在半导体材料薄层之上再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极；步骤三、在半导体气敏元件的半导体材料薄膜层上方设置紫外灯，将紫外灯、半导体气敏元件固定在设有通气孔的传感器壳体内；本发明利用紫外光照射辅助技术提高纳米半导体气敏传感器的灵敏度，降低传感器工作温度。
【专利说明】 一种薄膜芯片气体传感器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气敏材料与元件【技术领域】，具体是涉及一种薄膜芯片气体传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002]气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，目前已有的气体传感器种类繁多，按所用气敏材料及其气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式等。
[0003]传统的半导体电阻式气体传感器常采用金属氧化物(如Sn02、ZnO、Ti02等)为气敏材料，具有测量方式简单、灵敏度高、响应快、操作方便、便携性好、成本低等特点，但该类气体传感器在实际应用中必须加热到较高的工作温度(200?600°C)，功耗较大，降低了传感器的便携性，而且还增加了安全隐患，使其应用受到很大限制。近年来，利用纳米材料的特殊活性实现室温气体传感器正成为研究的热点与重点，在将传统气敏材料做成纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带等特殊结构的同时也涌现出了石墨烯、碳纳米管、娃纳米线等新型室温气敏材料。
[0004]此外，鉴于柔性器件的诱人应用前景，已有研究者利用石墨烯、碳纳米管所具有的大比表面积和低温成膜工艺特点，在PET、PI甚至纸衬底上成功制备出室温柔性气体传感器。
[0005]例如，2009年美国麻省大学洛威尔分校报道将氧化石墨烯喷墨打印在PET衬底上成功实现室温下对N02的检测，不足的是需要在254nm紫外光的照射下方可恢复，极大地降低了传感器的便携性能；2012年该该课题组又报道将碳纳米管在纸上喷墨打印成膜，室温下对lOOppm的N02和Cl2的灵敏度分别为2.4和2.7，然而其过长的响应和恢复时间(3_5分钟，7-12分钟)仍不利于实际监测。
[0006]胶态量子点采用胶体化学法制备，是一种用有机配体分子包裹正在生长的量子点的表面以控制粒子团聚的湿化学方法。与普通纳米材料相比，具有尺寸可控且均匀性好、活性高、物化特性可控、易于表面修饰、室温成膜与柔性衬底兼容性好等特点，是制备室温柔性气体传感器的新型理想材料。胶态量子点气体传感器的研究最早可追溯到2001年，研究者将市售的Sb掺杂Sn02胶态颗粒悬浮液以旋涂的方式在Si02衬底上成膜，制作出电阻式甲醇气体传感器，工作温度低至150°C。然而，该器件仍需要在高温(50(TC)热处理，导致真实器件中的颗粒尺寸高达数十纳米，不利于充分发挥胶态量子点气敏材料的特点。之后，胶态量子点气体传感器研究中主要采用胶态量子点与有机聚合物的混合物为气敏材料，使之能够在室温下成膜，因此胶态量子点的颗粒尺寸得到了较好的保持。但是，由于分散在电导率低的有机聚合物分子网络中，胶态量子点对气体的吸附活性及其之间的电子传输受到限制，导致该类传感器在室温下的气敏性能并不理想，因此工作温度然较高。此外，除了电阻式气体传感器，利用胶态量子点光致发光(PL)变化的室温气体传感器也受到研究者的关注，但后者在便携性方面无法与电阻式气体传感器相媲美。
[0007]申请号201310634216.9公开了一种种半导体电阻式气体传感器及其制备方法。制备方法包括如下步骤:(1)将半导体胶态量子点溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；(2)用短链配体溶液处理量子点薄膜；(3)去除残余的短链配体及其副产物;(4)多次重复执行步骤(1)至步骤(3)，得到具有所需厚度的半导体胶态量子点薄膜，完成气体传感器的制备。上述方法中，也可以直接在绝缘衬底上成膜，在最后得到的半导体胶态量子点薄膜上制备电极。气体传感器包括绝缘衬底、电极和气敏层，气敏层为半导体胶态量子点薄膜。当用于检测敏感温度较低的危险气体时，该气体传感器的灵敏度不够高。
[0008]申请号201410285080.X公开一种薄膜芯片气体传感器及其制备方法。本发明的芯片包括一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，再镀有无序性贵金属膜系，最后镀上点电极，将整个结构置于一个单开口的封闭的盒子，当气体通过封闭盒子，在贵金属系作为催化剂的作用下，气体在金属表面发生催化反应，放出的能量传递给金属中的电子，金属中具有高能量的电子跃迁经过金属和半导体的界面形成电流，利用检测电流信号的大小以及相对变化来实现某种气体以及含量的检测。当用于检测敏感温度较低的危险气体时，在较低温度的情况下，该方法制得的气体传感器的灵敏度不够闻。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种可提高传感器的灵敏度、降低传感器工作温度的气体传感器的制备方法。
[0010]为了实现上述目的，本发明的技术方案是:
一种薄膜芯片气体传感器的制备方法，包括以下步骤:
步骤一、制备一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，得到半导体气敏元件；
步骤二、在半导体材料薄层之上再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极；
步骤三、在半导体气敏元件的半导体材料薄膜层上方设置紫外灯，将紫外灯、半导体气敏元件固定在设有通气孔的传感器壳体内；
所述衬底可选有二氧化硅氧化层的硅片或玻璃片或金属片；在选用衬底过程时，对基片进行处理，处理方法为腐蚀，离子注入、原位刻蚀和生长种子层。
[0011]所述生长种子层的方法为磁控溅射或分子束外延或电化学沉积。
[0012]所述底电极的金属材料为Ti或A1。
[0013]所述半导体材料为Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任选一种。
[0014]所述半导体材料的制备方法采用溶胶凝胶法、水解沉淀法、磁控溅射法、真空蒸发法、电子束蒸发法、自组装法和物相沉积法中的任一种。
[0015]所述无序型金属膜系的材料为Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一种。
[0016]制备点电极的目的是形成良好的接触，所述点电极材料为Ag或Ti。
[0017]所述紫外灯的功率为l(T50mW。
[0018]利用本发明方法制得的气体传感器的有益效果是:
本发明利用紫外光照射下，对纳米半导体薄膜进行光催化作用，提高纳米半导体气敏传感器的灵敏度，降低传感器工作温度，除了用于对普通气体的检测外，还可以用于可燃气体的检测，补充了其他传感器不能在爆炸极限内检测的不足，普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃气体的监测和报警。本发明的气体传感器方法制得的气体传感器在普通环境温度下非常稳定。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0020]实施例一、
一种薄膜芯片气体传感器的制备方法，包括以下步骤:
步骤一、基底的准备，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，所述半导体材料为Si, Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任选一种。
[0021]得到半导体气敏元件；
步骤二、在半导体材料薄层之上再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极；
步骤三、在半导体气敏元件的半导体材料薄膜层上方设置紫外灯，将紫外灯、半导体气敏元件固定在设有通气孔的传感器壳体内；所述紫外灯的功率为l(T50mW。
[0022]实施例二、实施例三与实施例一基本相同，特别之处如下在选用衬底过程时，对基片进行处理，处理方法为腐蚀，离子注入、原位刻蚀和生长种子层。所述生长种子层的方法为磁控溅射或分子束外延或电化学沉积。
[0023]实施例二、
一种薄膜芯片气体传感器的制备方法，包括以下步骤:
步骤一、基底的准备，采用硅片为基底，硅片的清洗流程:丙酮超声lOmin，超纯水冲洗并超声lOmin，高纯氮气吹干，烘箱800°C烘烤15min ;在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，所述半导体材料为Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任选一种。得到半导体气敏元件；
步骤二、在半导体材料薄层之上再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极；
步骤三、在半导体气敏元件的半导体材料薄膜层上方设置紫外灯，将紫外灯、半导体气敏元件固定在设有通气孔的传感器壳体内；所述紫外灯的功率为l(T50mW。
[0024]实施例三、
一种薄膜芯片气体传感器的制备方法，包括以下步骤:
步骤一、基底的准备，采用玻璃片为基底，玻璃片的清洗流程:洗洁精清洗后纯水冲洗，丙酮超声lOmin，纯水冲洗后放入现配浓H2S04+H202 (3: 1，V/V)混合液浸泡30min，超纯水冲洗后，超纯水超声lOmin，高纯氮气吹干，烘箱800°C烘烤15min。在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半导体材料薄层，所述半导体材料为Si，Ge, GaAs, ZnO, Ti02, GaN和SiC中任选一种。得到半导体气敏元件；步骤二、在半导体材料薄层之上再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极；步骤三、在半导体气敏元件的半导体材料薄膜层上方设置紫外灯，将紫外灯、半导体气敏元件固定在设有通气孔的传感器壳体内；所述紫外灯的功率为l(T50mW。
[0025]进一步的，在制备底电极的过程中，选择的金属电极用来与半导体形成欧姆接触，该电极的金属材料为Ti或A1。
[0026]进一步的，所述半导体材料的制备方法采用溶胶凝胶法、水解沉淀法、磁控溅射法、真空蒸发法、电子束蒸发法、自组装法和物相沉积法中的任一种。
[0027]在制备无序型金属膜系的时候中，目的是与半导体材料形成肖特基结构；所述金属膜系为Pt、AU、Pd、CU、Cr、Ni中任一种。制备点电极的目的是形成良好的接触，所述点电极材料为Ag或Ti。
【权利要求】
1.一种薄膜芯片气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、制备一块衬底材料，在该衬底材料的表面首先镀上底电极，再镀半 导体材料薄层，得到半导体气敏元件； 步骤二、在半导体材料薄层之上再镀有无序型金属膜系，最后镀上点电极； 步骤三、在半导体气敏元件的半导体材料薄膜层上方设置紫外灯，将紫外灯、半导体气敏元件固定在设有通气孔的传感器壳体内。
2.如权利要求1所述的一种薄膜芯片气体传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底可选有二氧化硅氧化层的硅片或玻璃片或金属片；在选用衬底过程时，对基片进行处理，处理方法为腐蚀，离子注入、原位刻蚀和生长种子层。
3.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于，所述生长种子层的方法为磁控溅射或分子束外延或电化学沉积。
4.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于，所述底电极的金属材料为Ti或Al。
5.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体材料为Si, Ge, GaAs, ZnO, T12, GaN 和 SiC 中任选一种。
6.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体材料的制备方法采用溶胶凝胶法、水解沉淀法、磁控溅射法、真空蒸发法、电子束蒸发法、自组装法和物相沉积法中的任一种。
7.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于，所述无序型金属膜系的材料为Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一种。
8.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于:制备点电极的目的是形成良好的接触，所述点电极材料为Ag或Ti。
9.如权利要求1所述的薄膜芯片传感器的制备方法，其特征在于:所述紫外灯的功率为 l(T50mW。
【文档编号】G01N27/407GK104407033SQ201410636884
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】禹胜林 申请人:无锡信大气象传感网科技有限公司