一种提高气体传感器灵敏度的方法与流程

本发明涉及一种提高气体传感器灵敏度的方法，属于气体传感器领域和固体物理学领域。

背景技术：

气体传感器(gassensor)是检测所处环境中某种或某几种气体含量的传感器。气体传感器通常是气体敏感材料(气敏)部分作为检测的核心，与空气中某种或者某几种气体分子发生较强的吸附作用，进而改变这种材料的电学性能，并最终通过读取电信号获得环境气体的信息。

然而，近二十年内研究报道的新型气体传感器，其灵敏度在常温下较低，而想要获得较高灵敏度的方法，大多采用提高工作温度的手段，因此需要消耗许多的能源提供高温环境，高温又往往伴随诸多危险隐患，这就极大地限制了气体传感器的应用范围和应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在灵敏度低，室温下效果较差的问题，为此提供一种提高气体传感器灵敏度的方法；该方法使用与气体敏感材料功函数差值较大的金属作为电极，与气体敏感材料相连接，就能达到提高气体检测灵敏度的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种提高气体传感器灵敏度的方法，选择与气体敏感材料具有较大功函数差的金属作为与气体敏感材料接触的电极；金属与气体敏感材料接触时，二者的功函数差值越大，其界面处积累的电荷越多，当器件暴露在气体环境下，界面处积累的电荷将与气体分子进行电荷转移并形成局域电子，这些局域的电子产生内建电场影响偏压的效果，从而提高气体传感器的灵敏度；所述较大功函数差是指差值的绝对值大于0.7ev；

当与气体敏感材料功函数差值较大的金属与气体敏感材料接触时，由于其具有很低的功函数，金属与气体敏感材料接触的界面处将积累大量的电荷，当器件暴露在气体环境下，界面处积累的电荷将与气体分子进行电荷转移并变成局域电子，这些局域的电荷产生额外内建电场(vp)改变偏压的效果，从而提高气体传感器的灵敏度。而金属与气体敏感材料的功函数的差值越大，上述接触界面处积累的电荷越多，导致吸附的气体分子在此处形成的内建电场越大，进而导致气体传感器的灵敏度越高。所以，与气体敏感材料功函数差值较大的金属，十分适合作为气体传感器中与气体敏感材料相接触的金属，如pt(5.65ev)、mn(4.1ev)和mg(3.66ev)这三种。

采用上述方法制备的高灵敏度气体传感器，包括：气体敏感材料、绝缘衬底、导电电极(其构成材料是与气体敏感材料功函数差值较大的金属)和导线；所述气体敏感材料置于绝缘衬底上，所述导电电极置于气体敏感材料与绝缘衬底上，并作为与气体敏感材料直接接触的电极存在；在锰或镁金属电极上连接导线，使整个传感器方便接入电子系统中。

所述电极表面增加保护层；所述表面不包括与气体敏感材料接触的表面；所述保护层为稳定材料；

所述的保护层，可采用覆盖、镀膜、电镀、部分氧化等手段形成，以起到保护锰或镁材料不受外界环境氧化腐蚀等变质变化的损坏。

所述的稳定材料，是指在空气中可长期存在，且不易发生变质的材料，如金属金、塑料、二氧化硅等。

所述气体敏感材料包括：二维材料、半导体；

所述二维材料(指在厚度上处于纳米尺度范围的材料)包括：sns2、sns、snse2、snse、gase、gese、ws2、wse2、mos2、mose2、vs2、vse2、pts2、ptse2和石墨烯等；

所述半导体包括：二氧化锡、氧化锌、二氧化钛、氧化银、氧化钨和氧化铁等，以及基于它们的各类参杂后的材料。

上述列举的气体敏感材料并非全部气体敏感材料，须知，所有气体敏感材料通过与金属相接触，形成尽可能大的功函数差来提高气体传感器性能，才是本申请所要保护的。

所述绝缘衬底，是用于承载所述气体敏感材料的衬底，本身具有绝缘属性，不会使电子通过衬底连通两个金属电极。

所述构造金属电极，是指使用任意方法，形成金属电极部分覆盖连接在所述气体敏感材料上，例如但不限定的有，光刻法形成模板后用镀膜机镀上一层金属。

所述连接导线，是指具有能将传感器连接入电子系统中的功能的部分，并非必须有导线，只要传感器能够接入电子系统中即可。

所述电子系统，是指可利用所述气体传感器检测气体响应，施加偏压，读取分析反馈信号的电子系统。

有益效果

1、本发明提供了一种提高气体传感器灵敏度的方法，与气体敏感材料功函数差值较大的金属作为连接气体敏感材料的金属，即可提高气体传感器的灵敏度。该方法的好处在于提高灵敏度的方法简单，且在使用过程中对环境条件没有强烈要求，例如某些需要高温环境下才能有较好灵敏度的传感器，他们需要加热，而加热就消耗能源，同时伴随危险隐患。

2、本发明提供了一种提高气体传感器灵敏度的方法，其效果就是提高了灵敏度，这种提高效果具有通用性。把原本在室温下灵敏度不够好的传感器变成相对好的，而即使是高温下灵敏度好的气体传感器，采用本申请的方法，其灵敏度也会更好。

附图说明

图1为步骤1，将一片气敏材料转移至绝缘衬底上示意图；

图2为步骤2，在带有气敏材料的一侧，构造金属电极示意图；

图3为步骤3，在电极上链接导线，使其方便连接入电子系统中示意图；

图4为金属电极的气体传感器的简易三维视图；

图5为金属电极的气体传感器的简易侧面视图；

图6为气体传感器检测气体的基本原理图；

图7为锰电极和金电极的实验测试对比案例；图(a)，接触电极材料是锰金属，气敏材料是sns2时，检测不同浓度no2气体时的相对电阻变化率响应。图(b)，接触电极材料是金金属，气敏材料是sns2时，检测不同浓度no2气体时的相对电阻变化率响应。

图8为金属半导体接触界面的内建电场对气体传感器影响的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明示例中的附图，对发明示例中的方案进行更加详细的描述。在附图中，相同或者类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或者类似功能的元件。所描述的示例是本发明一部分的实例，而不是全部的实例。

下面通过参考附图描述的实例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“较高”、“较差”、“大幅”、“更低”、“更多”、“降低”、“还原”、“较低”和“更大”等知识的方位、位置或者程度关系为基于附图所示的方位、位置或者程度关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种提高气体传感器灵敏度的方法，仅需将与气敏材料连接的电极的金属更换为锰金属。所述气敏材料为sns2；

如附图1中所示，操作步骤1，将一片气敏材料转移到一片绝缘衬底上，这里举例为sns2材料转移到载玻片上。

如附图2中所示，操作步骤2，在气敏材料上制作掩模，先用紫外光刻蚀的方法形成适合的掩模，再用真空蒸镀的方法，在掩模一侧镀上一层锰金属，然后用丙酮酒精清洗掉掩模，形成需要的导电电极。图中为了简易说明，仅展示2端法电极，更复杂的电极结构也可使用。

如附图3中所示，操作步骤3，用导线将气体传感器连接入电子系统中，方便器件的使用，用导线将所述气体传感器连接到可施加特定偏压，并读取流过电流的仪表上。

如附图4、5中所示，为制作好的锰金属电极的气体传感器的示意图。

如附图6中所示，将气体传感器置于待检测环境中，空气中的分子会与气敏材料接触，从而影响气敏材料的电学性能，从而反应气体成分。

如附图7中所示，这是为了方便理解给出的实验案例。分别测试了2个气体传感器，(a)是锰金属(4.1ev)作为与气敏材料sns2(5.36ev)接触的电极，其响应率以相对电阻变化反应，最大在9ppm的no2环境下产生13000％的信号；与之对比的是(b)中采用金(5.1ev)作为与气敏材料sns2接触的电极，其响信号只有15％。

实施例2

如附图8中所示，这是表示金属半导体接触界面形成内建电场对气体传感器影响的原理示意图。

该图以锰金属(4.1ev)作为电极接触sns2(5.36ev)气体敏感材料，吸收的目标分子是no2。

图8中，实线是吸附no2气体前的电流电压关系，纵向虚线是检测中在传感器两端施加的偏压v0，横向虚线是此刻对应的电流i0；当传感器吸附no2气体分子后，金属半导体接触界面积累的部分电荷被束缚，相当于降低了界面处sns2的费米面，而金属半导体接触为了达到费米面平衡，金属中的电子会继续向sns2测移动，于是半导体一侧积累更多的电荷，这些多出来的电荷这就等效形成了一个额外的内建电场vp，在附图8中相当于，想要达到与吸附前相等的电流数值i0，必须在原有偏压数值v0下增加vp。而由于检测中的偏压v0是固定的，因此电流改变，即灵敏度提高。

以附图6为例，如电极两端施加一个3v的偏压，其中1v的偏压分压在sns2材料体上，2v的偏压分压在sns2与锰金属接触的界面上。常规的气体传感器主要利用sns2材料体上的变化，而本申请则讨论sns2与金属接触界面上的变化。故，为简化理解与气体敏感材料功函数差值较大的金属作为接触电极的作用，传感器吸附气体分子前的电流(ibefor)和吸附气体分子后的电流(iafter)的表达式写为：

其中a是电极与二维材料的接触面积，a^*2d是二维材料的理查森等效常数，t是绝对温度值，e是电子电荷，kb是玻尔兹曼常数，vsb是界面处的肖特基势垒，η是理想因子，vp是界面处形成的内建电场。根据上述公式可知，vp越大，导致气体分子吸附前后的电流差距越大，也就是灵敏度越高。

本申请在于保护采用与气体敏感材料功函数差值较大的金属作为与气体敏感材料接触的电极，就是因为锰(4.1ev)或镁(3.66ev)的功函数相比其他金属更低，或者铂(5.65ev)的功函数相比其他金属更高(这里考虑常温下具备现实应用意义的金属，如钾金属在空气中自燃就不具备现实应用意义，虽然其功函数2.3ev更低)，根据上述原理描述中形成的vp更大，所以灵敏度更高，也就更加适合作为与气敏材料接触的电极，实现高灵敏度气体传感器。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。