薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法。本發(fā)明的芯片包括一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，再鍍有無序性貴金屬膜系，最后鍍上點電極，將整個結(jié)構(gòu)置于一個單開口的封閉的盒子，當(dāng)氣體通過封閉盒子，在貴金屬系作為催化劑的作用下，氣體在金屬表面發(fā)生催化反應(yīng)，放出的能量傳遞給金屬中的電子，金屬中具有高能量的電子躍遷經(jīng)過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實現(xiàn)某種氣體以及含量的檢測。本發(fā)明的薄膜氣體傳感器的最大優(yōu)點是具有靈敏度高，響應(yīng)快，選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長等優(yōu)點，并且能夠針對任何氣體進(jìn)行設(shè)計。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氣體傳感器性能不能兼顧的缺點。
【專利說明】薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體傳感器及其制備方法領(lǐng)域，特別是一種薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，目前已有的氣體傳感器種類繁多，按所用氣敏材料及其氣敏特性不同，可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式等。
[0003]1、半導(dǎo)體氣體傳感器
這種傳感器在氣體傳感器中約占60%。按照其機(jī)理可分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式采用Sn02、Zn0等金屬氧化物材料制備，有多孔燒結(jié)件、厚膜、薄膜等形式。主要是通過檢測氣敏元件的電阻隨氣體含量的變化情況而定的，主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流與電壓隨氣體含量變化而工作的。
[0004]2、固體電解質(zhì)氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)。其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。通過測量電動勢來測量氣體濃度，如可以測量H2S的YST-Au-WO3、測量 NH3 的 NH+4CaC03 等。
[0005]3、接觸燃燒式氣體傳感器
這種氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是:氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使傳感器的電熱絲升溫，從而使其電阻值產(chǎn)生變化，通過測量電阻變化來測量氣體的濃度。這種傳感器只能測量可燃?xì)怏w，對不可燃其他不敏感。
[0006]雖然目前已有的氣體傳感器種類繁多、原理各不相同，但每種類型的傳感器都只能對特定氣體有效，而且傳感器的選擇性與適用范圍不能兼顧，即如果選擇性好的話，則可探測的氣體種類少，如果可探測的氣體種類多的話，則選擇性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于傳統(tǒng)氣體傳感器的上述缺點，以及針對目前各種氣體傳感器均無法探測氣體，人們期望能構(gòu)造一種新的傳感器件予以解決。本發(fā)明的目的就是為解決上述問題提出的一種薄膜芯片氣體傳感器及其制備方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:本發(fā)明的薄膜芯片氣體傳感器包括I) 一塊襯底材料，在襯底的表面首先鍍上底電極，再鍍有薄層半導(dǎo)體材料，再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極；2)將整個結(jié)構(gòu)置于一個封閉的樣品室中；3)當(dāng)氣體通過樣品室，在貴金屬系作為催化劑的作用下，發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量激發(fā)金屬中的電子越過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流；4)利用電流計檢測電流信號，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實現(xiàn)某種氣體以及含量的檢測。[0009]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種薄膜芯片氣體傳感器，包括一塊襯底，襯底上有一個底電極，在襯底和底電極上有一層半導(dǎo)體材料薄層，半導(dǎo)體材料薄層上有一層無序型金屬膜系，在該無序型金屬膜系上有點電極；所述底電極和點電極由導(dǎo)線引出而外接電流計；將所述結(jié)構(gòu)安置在一個單開口的封閉盒子內(nèi)。
[0010]—種薄膜芯片氣體傳感器制備方法，用于制備上述傳感器芯片，制備一塊襯底材料，在該襯底材料的表面首先鍍上底電極，再鍍半導(dǎo)體材料薄層，再鍍有無序型金屬膜系，最后鍍上點電極，將整個結(jié)構(gòu)置于一個單開口的封閉的盒子中；應(yīng)用于檢測氣體時，當(dāng)氣體通過封閉盒子，在貴金屬系作為催化劑的作用下，發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量激發(fā)金屬中的電子越過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流；利用電流計檢測電流信號，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實現(xiàn)對氣體及其含量的檢測。
[0011]所述襯底可選有二氧化硅氧化層的硅片或玻璃片或金屬片；在選用襯底過程時，對基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。在制備底電極的過程中，選擇的金屬電極用來與半導(dǎo)體形成歐姆接觸，該電極的金屬材料為Ti或Al。所述半導(dǎo)體材料為Si,Ge,GaAs,ZnO, TiO2, GaN和SiC中任選一種。所述半導(dǎo)體材料的制備方法采用溶膠凝膠法、水解沉淀法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。所述半導(dǎo)體薄膜的制備方法采用浸潰提拉、旋涂法和磁控濺射法中的任一種。在制備半導(dǎo)體材料的過程中，對半導(dǎo)體材料進(jìn)行處理而形成另一種半導(dǎo)體材料，該處理方法為高溫煅燒或退火處理。對半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜而改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，摻雜材料為S1、Fe、Zr中任一種。在制備無序型金屬膜系的時候中，目的是與半導(dǎo)體材料形成肖特基結(jié)構(gòu)；所述金屬膜系為Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一種。制備點電極的目的是形成良好的接觸，所述點電極材料為Ag或Ti。自組裝形成半導(dǎo)體薄膜和金屬薄膜的過程中應(yīng)具有一定程度的可控性，可控制薄膜的厚度。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性優(yōu)點和顯著優(yōu)點:本薄膜芯片氣體傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)快，選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長等特點，并可針對任何氣體進(jìn)行設(shè)計，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氣體傳感器性能不能兼顧的缺點。
[0013]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的無序性膜系平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明傳感器電流探測工作原理圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下:
實施例一:
參見圖1，本薄膜芯片氣體傳感器，包括一塊襯底(I)，其特征在于:所述襯底(I)上有一個底電極(2),在襯底(I)和底電極(2)上有一層半導(dǎo)體材料薄層(3),半導(dǎo)體材料薄層
(3)上有一層無序型金屬膜系(4)，在該無序型金屬膜系(4)上有點電極(5);所述底電極(2)和點電極(5)由導(dǎo)線(7)引出而外接電流計(8);將所訴結(jié)構(gòu)安置在一個單開口的封閉盒子(6)內(nèi)。
[0017]實施例二:
本薄膜芯片氣體傳感器制備方法，用于制備上述芯片，其特征為制備一塊襯底(I)材料，在該襯底(I)材料的表面首先鍍上底電極(2)，再鍍半導(dǎo)體材料薄層(3)，再鍍有無序型金屬膜系(4)，最后鍍上點電極(5)，將整個結(jié)構(gòu)置于一個單開口的封閉的盒子(6)中；應(yīng)用于檢測氣體時，當(dāng)氣體通過封閉盒子(6)，在貴金屬系作為催化劑的作用下，發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量激發(fā)金屬中的電子越過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流；利用電流計(8)檢測電流信號，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實現(xiàn)對氣體及其含量的檢測。
[0018]實施例三:
本實施例一與實施例二基本相同，特別之處如下:所述襯底可選有二氧化硅氧化層的硅片或玻璃片或金屬片；在選用襯底過程時，對基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。在制備底電極的過程中，選擇的金屬電極用來與半導(dǎo)體形成歐姆接觸，該電極的金屬材料為Ti或Al。所述半導(dǎo)體材料為Si，Ge，GaAs，ZnO，TiO2, GaN和SiC中任選一種。所述半導(dǎo)體材料的制備方法采用溶膠凝膠法、水解沉淀法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。所述半導(dǎo)體薄膜的制備方法采用浸潰提拉、旋涂法和磁控濺射法中的任一種。在制備半導(dǎo)體材料的過程中，對半導(dǎo)體材料進(jìn)行處理而形成另一種半導(dǎo)體材料，該處理方法為高溫煅燒或退火處理。對半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜而改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，摻雜材料為S1、Fe、Zr中任一種。在制備無序型金屬膜系的時候中，目的是與半導(dǎo)體材料形成肖特基結(jié)構(gòu)；所述金屬膜系為Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一種。制備點電極的目的是形成良好的接觸，所述點電極材料為Ag或Ti。自組裝形成半導(dǎo)體薄膜和金屬薄膜的過程中應(yīng)具有一定程度的可控性，可控制薄膜的厚度。
[0019]實施例四:
下面通過附例，以甲醇(CH3OH)氣體在Pt/Ti02結(jié)構(gòu)上形成的傳感器為例，對本發(fā)明的具體實施方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0020]I)基底的準(zhǔn)備
若采用硅片為基底，則硅片的清洗流程:::D丙酮超聲10min，(g:超純水沖洗并超聲IOmin，③;高純氮氣吹干，:$烘箱80°C烘烤15min ； 若采用玻璃片為基底，則玻璃片的清洗流程:(D洗潔精清洗后純水沖洗，g:丙酮超聲IOmin, 純水沖洗后放入現(xiàn)配濃H2S04+H202 (3:1, V/V)混合液浸泡30min, 超純水沖洗
后，超純水超聲lOmin，卷高純氮氣吹干，烘箱80°C烘烤15min。
[0021]2)無序型膜系的設(shè)計
無序型半導(dǎo)體膜系是由溶膠凝膠法制備的二氧化鈦TiO2溶液，TiO2膠體溶液的制備過
程如下:(￡:在基底上鍍上一層300nm的Ti電極，(g:用電子天平量取3.7gHCl，5.25g四異丙酮鈦TTIP (呈淡黃色)和15g無水乙醇，用滴管將HCl (抑制水解)逐滴加入盛有TTIP的燒杯中(內(nèi)含磁子)，溶液略顯渾濁，觀察到現(xiàn)象會有白煙冒出，磁力攪拌機(jī)攪拌15min。注:不能給攪拌器加熱將量取的無水乙醇倒入HCl * TTIP的混合液中，發(fā)現(xiàn)溶液變澄清，
用磁力攪拌器配置好的溶液在室溫下攪拌15min,:|)利用勻膠機(jī)旋涂形成TiO2薄膜，勻膠
機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)數(shù)是3000r/min，旋轉(zhuǎn)30s，經(jīng)過退火之后形成一定晶向的薄膜；，退火參數(shù)
為400°C退火，5°C/min,:f；無序型金屬膜系Pt利用的是磁控濺射，鍍膜的速率約是0.28 A/
s，Pt的厚度控制在5-30nm以內(nèi)(小于金屬中激發(fā)電子的平均自由程)。I)在金屬Pt厚度
上鍍上點電極Ag。
[0022]3)甲醇?xì)怏w傳感器的制備
將上述步驟2形成的PVTiO2結(jié)構(gòu)，置于封閉的盒子中，用兩根探針和導(dǎo)線引出底電極Ti和上電極Ag，外接電路連上Agilent并加上負(fù)載電阻Ik Ω，即可以得到外接電流的大小。
[0023]應(yīng)用方法:
O在金屬膜系表面通甲醇?xì)怏w和空氣的混合氣，
由前管分別進(jìn)入甲醇?xì)怏w和空氣混合氣(甲醇蒸汽通過用鼓泡器獲得)，兩種氣體通過金屬Pt表面，由于甲醇和空氣混合氣在金屬Pt催化劑的作用下發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)的能量傳遞給金屬Pt中的部分電子，電子被激發(fā)通過金屬Pt，越過金屬和半導(dǎo)體的界面(即肖特基勢壘)形成電流。
[0024]2 )電流計檢測電流信號
電流計的一端接在金屬Pt上的電極，另一端接在和半導(dǎo)體形成歐姆接觸的電極上，觀察電流的信號。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜芯片氣體傳感器，包括一塊襯底(I)，其特征在于:所述襯底(I)上有一個底電極(2)，在襯底(I)和底電極(2)上有一層半導(dǎo)體材料薄層(3)，半導(dǎo)體材料薄層(3)上有一層無序型金屬膜系(4)，在該無序型金屬膜系(4)上有點電極(5);所述底電極(2)和點電極(5)由導(dǎo)線(7)引出而外接電流計(8);將所訴結(jié)構(gòu)安置在一個單開口的封閉盒子(6)內(nèi)。
2.一種薄膜芯片氣體傳感器制備方法，應(yīng)用于制備根據(jù)權(quán)利要求書I所述的薄膜氣體傳感器芯片，制備一塊襯底(I)材料，在該襯底(I)材料的表面首先鍍上底電極(2)，再鍍半導(dǎo)體材料薄層(3)，再鍍有無序型金屬膜系(4)，最后鍍上點電極(5)，將整個結(jié)構(gòu)置于一個單開口的封閉的盒子(6)中；應(yīng)用于檢測氣體時，當(dāng)氣體通過封閉盒子(6)，在貴金屬系作為催化劑的作用下，發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量激發(fā)金屬中的電子越過金屬和半導(dǎo)體的界面形成電流；利用電流計(8)檢測電流信號，利用檢測電流信號的大小以及相對變化來實現(xiàn)對氣體及其含量的檢測； 具體制備步驟如下: 1)基底的準(zhǔn)備，若基底為硅片，依次用丙酮、超純水清洗并超聲，N2吹掃并烘干；若基底為玻璃片，需先用洗潔精沖洗，再丙酮超聲，然后用H2SO4和H2O2的混合液浸泡，再超純水沖洗，N2吹掃并烘干； 2)無序型膜系的設(shè)計，用磁控濺射法在基底上鍍上底電極，然后用溶膠凝膠法或分子束外延或電化學(xué)沉積制備半導(dǎo)體膜材料薄層，之后在半導(dǎo)體材料薄層上鍍上一層無序型金屬膜系，最后在金屬膜系上鍍上點電極； 3)氣體傳感器的制備，將上述結(jié)構(gòu)置于封閉的盒子內(nèi)，通過探針和導(dǎo)線引出底電極和上電極，外接至電流計上。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，所述襯底可選有二氧化硅氧化層的硅片或玻璃片或金屬片；在選用襯底過程時，對基片進(jìn)行處理，處理方法為腐蝕，離子注入、原位刻蝕和生長種子層。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，所述生長種子層的方法為磁控濺射或分子束外延或電化學(xué)沉積。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，在制備底電極的過程中，選擇的金屬電極用來與半導(dǎo)體形成歐姆接觸，該電極的金屬材料為Ti或Al。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為Si，Ge, GaAs, ZnO, TiO2, GaN 和 SiC 中任選一種。
7.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料的制備方法采用溶膠凝膠法、水解沉淀法、磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、自組裝法和物相沉積法中的任一種。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的制備方法采用浸潰提拉、旋涂法和磁控濺射法中的任一種。
9.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于，在制備半導(dǎo)體材料的過程中，對半導(dǎo)體材料進(jìn)行處理而形成另一種半導(dǎo)體材料，該處理方法為高溫煅燒或退火處理。
10.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于:對半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜而改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，摻雜材料為S1、Fe、Zr中任一種。
11.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于:在制備無序型金屬膜系的時候中，目的是與半導(dǎo)體材料形成肖特基結(jié)構(gòu)；所述金屬膜系為Pt、Au、Pd、Cu、Cr、Ni中任一種。
12.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于:制備點電極的目的是形成良好的接觸，所述點電極材料為Ag或Ti。
13.如權(quán)利要求1所述的薄膜芯片傳感器制備方法，其特征在于:自組裝形成半導(dǎo)體薄膜和金屬薄膜的 過程中應(yīng)具有一定程度的可控性，可控制薄膜的厚度。
【文檔編號】G01N27/403GK104020207SQ201410285080
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】胡志宇, 戴樓成, 羅希, 曾志剛 申請人:上海大學(xué)