一種室溫p-n-p異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器、半導(dǎo)體材料和有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合納米材料領(lǐng)域，公開了一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器及其制備方法。首先采用堿法或干法刻蝕工藝制備P型微結(jié)構(gòu)硅襯底，或者采用酸法或電化學(xué)法刻蝕工藝制備P型多孔硅襯底，然后在硅襯底表面制備金屬納米顆粒（作為N型材料），再在金屬納米顆粒層上方制備P型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜，最后在敏感薄膜上制備叉指電極，得到電阻型P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器。本發(fā)明從材料和結(jié)構(gòu)兩方面提高了傳感器的性能，使其可在室溫下工作，具有良好的應(yīng)用開發(fā)前景。
【專利說(shuō)明】—種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)氣體傳感器、半導(dǎo)體材料和有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氫氣作為一種清潔無(wú)污染的高效燃料，具有良好的發(fā)展前景，已受到世界各國(guó)的高度重視。它作為一種基本原料，在石油化工、冶金工業(yè)以及航天工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。但是氫氣分子很小，在生產(chǎn)、傳輸和使用過(guò)程中極易發(fā)生泄漏，而且氫氣無(wú)色無(wú)味，爆炸極限范圍寬(4%-75%)，遇明火即發(fā)生爆炸，對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。因此，對(duì)空氣和特定環(huán)境中的氫氣含量進(jìn)行快速，準(zhǔn)確的測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直致力于開發(fā)靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單、易于集成的氫氣傳感器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣含量的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。
[0004]根據(jù)工作原理不同，現(xiàn)有氫氣傳感器主要有:半導(dǎo)體型、熱電型、光纖型、電化學(xué)型等幾種類型。
[0005]其中電阻型半導(dǎo)體氫氣傳感器主要以Sn02、Zn0、W03等金屬氧化物為氣敏材料，例如:國(guó)產(chǎn)的QM系列氫氣傳感器就是以51102作為敏感材料的。但是此類以金屬氧化物作為敏感材料的電阻型半導(dǎo)體氫氣傳感器對(duì)還原性氣體普遍響應(yīng)，導(dǎo)致傳感器選擇性較差。另外，該類傳感器還存在靈敏度低下，工作溫度高等問(wèn)題。與此同時(shí)，以器件電容或勢(shì)壘等作為檢測(cè)量的非電阻型半導(dǎo)體氫氣傳感器主要有肖特基二極管型和M0S場(chǎng)效應(yīng)晶體管型兩類。以肖特基二極管型氫氣傳感器為例，其常用金屬鈀和鉬作為敏感材料和接觸催化劑，而采用半導(dǎo)體材料S1、SiC、GaAS、InP、GaN等作為器件基底，但是該類傳感器因?yàn)榻饘賹拥某练e方法對(duì)傳感器的性能也有較大影響，濺射等高能量沉積技術(shù)導(dǎo)致肖特基結(jié)勢(shì)壘降低，傳感器靈敏度受到影響。綜合來(lái)看，雖然半導(dǎo)體氫氣傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成等多種優(yōu)點(diǎn)，但是過(guò)高的工作溫度也使得傳感器的耗能增大和安全性降低，限制了其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的價(jià)值。
[0006]此外，熱電型氫氣傳感器雖然對(duì)氫氣存在較高的選擇性，且能耗低、易于集成，但是為了實(shí)現(xiàn)氫原子和氧原子之間的反應(yīng)，一般采用Pt絲加熱以提供能量，故其工作溫度高。光纖型氫氣傳感器是以光信號(hào)作為物理量，與電信號(hào)相比，光信號(hào)的輸出強(qiáng)度更加微弱，易受干擾；并且該類器件還存在體積大、成本高、難以集成等缺點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于電化學(xué)型氫氣傳感器，不便于攜帶和器件壽命較短也是難以解決的問(wèn)題。
[0007]綜上所述，目前制約氫氣傳感器發(fā)展的主要原因有:靈敏度低、選擇性差、功耗大、價(jià)格高、不便于攜帶等。所有這些問(wèn)題都與氣體傳感器所采用的敏感材料與傳感結(jié)構(gòu)有關(guān)?？梢哉f(shuō)，材料與結(jié)構(gòu)是新型氫氣傳感器乃至新的氫氣傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。
[0008]近年來(lái)，有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合敏感材料等被廣泛應(yīng)用到氣體檢測(cè)領(lǐng)域，它與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)敏感材料相比具有制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、應(yīng)用限制少等優(yōu)點(diǎn)。氣體通過(guò)時(shí)，吸附的氣體與敏感材料之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)相互作用導(dǎo)致的物性變化(如導(dǎo)電率變化)而得知檢測(cè)氣體分子存在的信息。但是基于有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合敏感材料的氣體傳感器相關(guān)專利和文獻(xiàn)方面，大多集中在對(duì)nh3、h2s、no2和揮發(fā)性有機(jī)氣體的檢測(cè)。例如:2010年浙江大學(xué)Li jie Hong等人通過(guò)溫和的方法制作了鈀金屬和聚吡咯的復(fù)合薄膜，實(shí)驗(yàn)證明其對(duì)NH3有著良好的選擇性和高的靈敏度。2014年印度索拉普大學(xué)V.B.Patil小組采用旋涂技術(shù)在玻璃襯底上制備聚吡咯/氧化鐵(PPY/a-Fe203)敏感薄膜，該薄膜呈現(xiàn)出疏松多孔的球形顆粒形貌，為氣體分子的擴(kuò)散提供了有效通道，極大地增加了氣體在薄膜表面的吸附面積，實(shí)現(xiàn)了對(duì)N02氣體快速有效的檢測(cè)。相比之下，有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合敏感材料在氫氣傳感器領(lǐng)域鮮有報(bào)道。
[0009]隨著MEMS工藝的發(fā)展，微結(jié)構(gòu)硅和多孔硅因具有大的比表面積，為提高氣體分子與敏感薄膜之間的接觸面積提供了有效途徑，在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)相比，基于微結(jié)構(gòu)娃和多孔娃的氣體傳感器具有靈敏度高、工作溫度較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有易于與1C工藝集成、耗能小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，而其在氫氣檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用也早有研究，例如，埃里溫國(guó)立大學(xué)v.M.Arakelyan等人在多孔娃表面沉積Ti02_x和In 203膜以及ZnO薄膜，在加入Pd催化劑后用于測(cè)試Η 2。但是綜合目前的報(bào)道來(lái)看，采用有機(jī)半導(dǎo)體或有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合敏感材料制備氫氣敏感薄膜，并以微結(jié)構(gòu)硅或多孔娃作為襯底，具有Ρ-Ν-Ρ異質(zhì)結(jié)的氫氣傳感器未見報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于要解決現(xiàn)有氫氣傳感器靈敏度低、選擇性差、功耗大、價(jià)格高、不便于攜帶等問(wèn)題。
[0011]本發(fā)明的目的為:
提供一種室溫Ρ-Ν-Ρ異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器及其制備方法，該氣體傳感器靈敏度高、選擇性好、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、可室溫工作、便于攜帶，在環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。
[0012]本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案:
一種室溫Ρ-Ν-Ρ異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器,為電阻型器件，襯底為Ρ型微結(jié)構(gòu)娃或Ρ型多孔硅，所述Ρ型微結(jié)構(gòu)硅或Ρ型多孔硅的表面設(shè)置有金屬納米顆粒層(作為Ν型材料)，在金屬納米顆粒層上設(shè)置Ρ型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜，最后在敏感薄膜上設(shè)置叉指電極，得到Ρ-Ν-Ρ異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器。該傳感器不但從材料方面增強(qiáng)了氣體分子在傳感器件上的吸附效應(yīng)，而且襯底與雙層材料之間形成的Ρ-Ν-Ρ異質(zhì)結(jié)，大大提高了器件的電子遷移率，從而最大程度地提高了傳感器的靈敏度和選擇性。
[0013]作為優(yōu)選，所述傳感器的Ρ型微結(jié)構(gòu)硅或Ρ型多孔硅表面有微米級(jí)整齊的圓包狀、圓錐狀或圓柱狀陣列結(jié)構(gòu)#型多孔硅襯底表面有近似圓形的小孔，孔徑為lOnm-lOym，該結(jié)構(gòu)大大增加了敏感材料與氣體的接觸面積，同時(shí)Ρ型多孔硅襯底表面的陣列或孔徑結(jié)構(gòu)構(gòu)成了氣體分子傳輸?shù)挠行ǖ?，有利于氣體分子的擴(kuò)散。
[0014]作為優(yōu)選，所述叉指電極以金、銀、鋁、銅、鉬等金屬作為電極材料，其有利于與敏感材料形成歐姆接觸，降低電阻率；叉指電極的叉指間距為ΙΟΟμπι -ΙΟΟΟμπι，叉指寬度為100 μ m -1000 μ m,叉指電極的電極厚度為30nm_l μ m。
[0015]本發(fā)明所提供的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制造方法，包括以下步驟:
①采用堿法或干法刻蝕工藝制備ρ型微結(jié)構(gòu)硅襯底，或者采用酸法或電化學(xué)法刻蝕工藝制備P型多孔娃襯底；
②采用真空熱蒸發(fā)后快速熱退火、直流濺射后快速熱退火、電子束蒸發(fā)后快速熱退火、金屬溶膠旋涂、金屬溶膠滴涂等方法在微結(jié)構(gòu)硅襯底(酸法刻蝕的多孔硅襯底省略此步驟)表面生長(zhǎng)金屬納米顆粒層，該金屬納米顆粒層作為敏感材料的同時(shí)又具有接觸催化效應(yīng)，同時(shí)進(jìn)一步增大了器件的比表面積，有利于器件靈敏度的提高；
③采用旋涂、噴涂、自組裝或電化學(xué)成膜法等工藝在金屬納米顆粒層表面制備P型有機(jī)半導(dǎo)體敏感薄膜，該P(yáng)型材料層不但與襯底和金屬納米顆粒層共同形成P-N-P異質(zhì)結(jié)，還具有防止金屬納米顆粒脫落的作用，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命；
④采用真空蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷工藝制備叉指電極。
[0016]步驟①所述P型硅片為〈100〉晶向(100是一種硅片晶面的晶向參數(shù))，電阻率為6—8 Ω.cm,厚度為 680~720 μ m。
[0017]步驟①所述堿法刻蝕方法，首先采用PECVD工藝在硅片表面制備90_600nm的氮化硅(Si3N4)掩膜，然后對(duì)氮化硅(Si3N4)薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠，并清洗，得到具有圖形為圓形(直徑和邊距的比例為1 μ m: 1 μ m、2 μ m:2ym或2μηι:1μηι等)的氮化娃(Si3N4)掩膜；然后采用堿性各向異性腐蝕液，如EPW (乙二胺、鄰苯二芬和水)，聯(lián)胺，K0H、Na0H、Li0H、Cs0H和ΝΗ40Η等，在一定條件下對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕，得到微結(jié)構(gòu)硅襯底；所述干法刻蝕方法，首先采用上述堿法刻蝕工藝中相同的掩膜制備工藝；然后采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝刻蝕帶有掩膜的硅片，刻蝕氣體可選擇氧基(02)，氟基(3?6，0?4，(:冊(cè)3等)，氯基((:12等)以及溴基(!?!.等)氣體，得到微結(jié)構(gòu)襯底。
[0018]步驟①所述酸法刻蝕工藝，首先在硅片表面采用真空熱蒸發(fā)、直流濺射、電子束蒸發(fā)等工藝沉積5nm-20nm的金屬薄膜(包括金、銀、鉬、鈀等具有催化作用的貴金屬)，然后通過(guò)200°C -1000°C的快速熱退火使得金屬薄膜在硅片表面凝聚成均勻的金屬納米顆粒，金屬納米顆粒作為酸法刻蝕的催化劑；然后采用酸法刻蝕液，如:氫氟酸和乙醇的混合水溶液，在一定條件下對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕得到多孔硅襯底，金屬納米顆粒也隨著刻蝕的進(jìn)行進(jìn)入孔隙底部，故可省略步驟②。
[0019]步驟②所述真空熱蒸發(fā)、直流濺射和電子束蒸發(fā)的靶材為金、銀、鈀、鉬等固體金屬單質(zhì)靶材，而金屬溶膠旋涂和金屬溶膠滴涂則采用膠體金、膠體銀、膠體鈀、膠體鉬等貴金屬顆粒懸池液。
[0020]步驟③所述P型有機(jī)半導(dǎo)體敏感薄膜的材料為聚苯胺(PANI )、聚吡咯PPY)及其衍生物等。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
一、采用P型微結(jié)構(gòu)硅或P型多孔硅材料作為氫氣傳感器的襯底，有效地增加了氣體分子與敏感薄膜的接觸面積，并且形成了有利于氣體分子傳輸?shù)目臻g通道，提高氣體傳感器的響應(yīng)速度，同時(shí)具有體積小、成本低、易于與1C集成等優(yōu)點(diǎn)。
[0022]二、在P型微結(jié)構(gòu)硅或P型多孔硅材料的襯底的表面制備金屬納米顆粒層，該金屬納米顆粒層作為敏感材料的同時(shí)又具有接觸催化效應(yīng)，并且進(jìn)一步增大了器件的比表面積，有利于器件靈敏度的提高，從而降低了器件的工作溫度，實(shí)現(xiàn)室溫工作。
[0023]三、P型微結(jié)構(gòu)硅或Ρ型多孔硅材料的襯底、金屬納米顆粒層和Ρ型有機(jī)半導(dǎo)體形成Ρ-Ν-Ρ異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，從敏感材料和器件結(jié)構(gòu)兩方面提高了器件的靈敏度的和選擇性。
[0024]四、采用旋涂、噴涂、自組裝或電化學(xué)成膜法等工藝制備Ρ型有機(jī)半導(dǎo)體作為上層薄膜，與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料相比，有機(jī)薄膜制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，工作溫度低。此外，該有機(jī)薄膜作為敏感材料的同時(shí)還具有防止金屬納米顆粒脫落的作用，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。
[0025]五、采用堿法或干法的刻蝕工藝制備微結(jié)構(gòu)硅，采用酸法或電化學(xué)法的工藝制備多孔硅，工藝成熟、簡(jiǎn)單，重復(fù)性好。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1 (a)是采用堿法刻蝕得到的P型微結(jié)構(gòu)硅作為襯底的P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器示意圖，圖1(b)是采用酸法刻蝕得到的P型多孔硅為襯底的P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明提供的堿法刻蝕具有圓錐狀陣列結(jié)構(gòu)的P型微結(jié)構(gòu)硅襯底SEM圖。
[0028]圖3是本發(fā)明提供的10nm銀薄膜快速熱退火后的SEM圖片。
[0029]圖4是本發(fā)明提供的酸法刻蝕的具有近圓形孔隙的P型多孔硅襯底SEM圖。
具體實(shí)施方案
[0030]—種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器,包括襯底，所述襯底為P型微結(jié)構(gòu)娃或P型多孔硅，所述P型微結(jié)構(gòu)硅或P型多孔硅的表面設(shè)置有金屬納米顆粒層，所述金屬納米顆粒層的表面設(shè)置有P型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜，所述P型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的表面設(shè)置有叉指電極。
[0031]所述P型微結(jié)構(gòu)硅襯底表面為微米級(jí)整齊的圓包狀、圓錐狀或圓柱狀陣列結(jié)構(gòu)；P型多孔娃襯底表面為近似圓形小孔，孔徑為10nm-10 μ m。
[0032]所述叉指電極為金、銀、鋁、銅和鉬金屬作為電極材料；叉指電極的叉指間距為100 μ m -1000 μ m，叉指寬度為ΙΟΟμπι -1000 μ m，叉指電極的電極厚度為30nm_l μ m。
[0033]一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，包括以下步驟:
①采用堿法或干法刻蝕工藝刻蝕P型單晶硅片制備P型微結(jié)構(gòu)硅襯底，或者采用酸法或電化學(xué)法刻蝕ρ型單晶硅片工藝制備ρ型多孔硅襯底；
②采用真空熱蒸發(fā)后快速熱退火、直流濺射后快速熱退火、電子束蒸發(fā)后快速熱退火、金屬溶膠旋涂、金屬溶膠滴涂的方法在ρ型硅襯底表面生長(zhǎng)金屬納米顆粒層；
③采用旋涂、噴涂、自組裝或電化學(xué)成膜法工藝在金屬納米顆粒層表面制備ρ型有機(jī)半導(dǎo)體敏感薄膜；
④采用真空蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷工藝制備叉指電極。
[0034]其中步驟①所述P型單晶硅片為〈100〉晶向，其電阻率為6~8 Ω.cm，其厚度為680?720 μ m。
[0035]步驟①所述堿法刻蝕方法，需要首先采用PECVD工藝在硅片表面制備90_600nm的氮化硅(Si3N4)掩膜，然后對(duì)氮化硅(Si3N4)薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠，并清洗，得到具有圖形為圓形的氮化娃(Si3N4)掩膜；然后采用堿性各向異性腐蝕液，在一定條件下對(duì)娃片進(jìn)行刻蝕；所述干法刻蝕方法，首先采用上述堿法刻蝕工藝中相同的掩膜制備工藝；然后采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝刻蝕帶有掩膜的硅片，刻蝕氣體可選擇氧基、氟基、氯基以及溴基氣體。
[0036]其中步驟①所述酸法刻蝕工藝，首先在P型單晶硅表面采用真空熱蒸發(fā)、直流濺射或電子束蒸發(fā)等工藝沉積5nm-20nm的金屬薄膜，然后通過(guò)200°C -1000°C的快速熱退火使得金屬薄膜在P型單晶硅表面凝聚成均勻的金屬納米顆粒，金屬納米顆粒作為酸法刻蝕的催化劑；然后采用酸法刻蝕液，在一定條件下對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕得到多孔硅襯底，金屬納米顆粒也隨著刻蝕的進(jìn)行進(jìn)入多孔硅的孔隙底部，故可省略步驟②。
[0037]其中步驟②所述真空熱蒸發(fā)、直流濺射和電子束蒸發(fā)的靶材為金、銀、鈀、鉬固體金屬單質(zhì)靶材，而金屬溶膠旋涂和金屬溶膠滴涂則采用膠體金、膠體銀、膠體鈀、膠體鉬貴金屬顆粒懸池液。
[0038]其中步驟③所述P型有機(jī)半導(dǎo)體敏感薄膜的材料為聚苯胺(PANI)、聚吡咯(ppy)及其衍生物
實(shí)施例1
1、微結(jié)構(gòu)硅襯底的制備
采用堿法刻蝕工藝制備微結(jié)構(gòu)硅。首先選取6英寸P型〈100〉晶向(100是一種硅片晶面的晶向參數(shù))單面拋光的硅片，利用PECVD技術(shù)沉積在硅片上90nm的Si3N4薄膜，再進(jìn)行旋涂光刻膠、曝光(按照需要應(yīng)用不同尺寸的掩膜版)、顯影等工藝形成光刻膠掩膜圖形，然后利用離子反應(yīng)刻蝕(RIE)技術(shù)刻蝕Si3N4掩膜層，再完成去膠、清洗、劃片等工藝。劃好的小塊(15cmX 15cm)硅片依次放入丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水中清洗，隨后放入Κ0Η+去離子水+異丙醇的溶液中85°C刻蝕2~14min (按照對(duì)刻蝕深度的需要調(diào)節(jié)刻蝕時(shí)間和溶液濃度)，最后在HF濃溶液中去除剩余的氮化硅掩膜層并進(jìn)行清洗。
[0039]2、金屬納米顆粒層的制備
采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在微結(jié)構(gòu)硅襯底表面制備10nm銀薄膜，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下采用300°C快速熱退火3min,形成20_30nm的金屬顆粒。
[0040]3、自組裝聚苯胺有機(jī)薄膜的制備
首先將樣品依次放入氨水溶液(70°C)和氨水雙氧水的混合溶液(70°C)中進(jìn)行親水處理；然后將樣品浸入TODA水溶液中，使樣品表面帶正電；隨后將樣品浸入PSS的鹽酸溶液中，是樣品表面帶負(fù)電；最后將樣品緩緩加入到苯胺單體和過(guò)硫酸銨的鹽酸溶液中進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，最后慢慢取出樣品，即完成聚苯胺有機(jī)薄膜的制備。
[0041]4叉指電極的制備
采用真空蒸發(fā)沉積金叉指電極。將具有叉指形狀鏤空的金屬電極掩模板放在準(zhǔn)備鍍膜的硅片上方，然后加熱金絲，將金沉積到硅片表面，形成與掩模板鏤空部分一致的圖形，金叉指電極厚度為lOOnm。
[0042]實(shí)施例2
1、多孔硅襯底的制備
采用酸法刻蝕工藝制備多孔硅。首先選取6英寸P型〈100〉晶向(100是一種硅片晶面的晶向參數(shù))單面拋光的硅片，將其切割成大小相等的小塊(15cmX 15cm)硅片依次放入丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水中清洗，然后采用真空熱蒸發(fā)技術(shù)沉積10nm銀薄膜，然后300°C快速熱退火(氮?dú)獗Ｗo(hù))，生成20-30nm的金屬銀顆粒，然后將得到的樣品浸入HF+去離子水中+C2H5OH的溶液中35°C刻蝕8min，然后再去離子水中沖洗干凈。
[0043]2、聚苯胺有機(jī)薄膜的制備
首先將樣品依次放入氨水溶液(70°C)和氨水雙氧水的混合溶液(70°C)中進(jìn)行親水處理；然后將樣品浸入TODA水溶液中，使樣品表面帶正電；隨后將樣品浸入PSS的鹽酸溶液中，是樣品表面帶負(fù)電；最后將樣品緩緩加入到苯胺單體和過(guò)硫酸銨的鹽酸溶液中進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，最后慢慢取出樣品，即完成聚苯胺有機(jī)薄膜的制備。
[0044]3、叉指電極的制備
采用真空蒸發(fā)沉積金叉指電極。將具有叉指形狀鏤空的金屬電極掩模板放在準(zhǔn)備鍍膜的硅片上方，然后加熱金絲，將金沉積到硅片表面，形成與掩模板鏤空部分一致的圖形，金叉指電極厚度為lOOnm。
【權(quán)利要求】
1.一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器,其特征在于:包括襯底，所述襯底為P型微結(jié)構(gòu)硅或P型多孔硅，所述P型微結(jié)構(gòu)硅或P型多孔硅的表面設(shè)置有金屬納米顆粒層，所述金屬納米顆粒層的表面設(shè)置有P型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜，所述P型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的表面設(shè)置有叉指電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器，其特征在于:所述P型微結(jié)構(gòu)硅襯底表面為微米級(jí)整齊的圓包狀、圓錐狀或圓柱狀陣列結(jié)構(gòu)#型多孔硅襯底表面為近似圓形孔，孔徑為1nm-1O μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器，其特征在于:所述叉指電極為金、銀、招、銅和鉬金屬作為電極材料；叉指電極的叉指間距為ΙΟΟμ-- -1000 μ m,叉指寬度為ΙΟΟμπι -1000 μ m,叉指電極的電極厚度為30nm_l μ m。
4.一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: ①采用堿法或干法刻蝕工藝刻蝕P型單晶硅片制備P型微結(jié)構(gòu)硅襯底，或者采用酸法或電化學(xué)法刻蝕P型單晶硅片工藝制備P型多孔硅襯底； ②采用真空熱蒸發(fā)后快速熱退火、直流濺射后快速熱退火、電子束蒸發(fā)后快速熱退火、金屬溶膠旋涂、金屬溶膠滴涂的方法在P型硅襯底表面生長(zhǎng)金屬納米顆粒層； ③采用旋涂、噴涂、自組裝或電化學(xué)成膜法工藝在金屬納米顆粒層表面制備P型有機(jī)半導(dǎo)體敏感薄膜； ④采用真空蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷工藝制備叉指電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，其特征在于:其中步驟①所述P型單晶硅片為〈100〉晶向，其電阻率為6~8 Ω.Cm，其厚度為680?720 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，其特征在于:步驟①所述堿法刻蝕工藝，需要首先采用PECVD工藝在硅片表面制備90-600nm的氮化硅(Si3N4)掩膜，然后對(duì)氮化硅(Si3N4)薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕、去膠，并清洗，得到具有圖形為圓形的氮化硅(Si3N4)掩膜；接著采用堿性各向異性腐蝕液，在一定條件下對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕；所述干法刻蝕方法，首先采用上述堿法刻蝕工藝中相同的掩膜制備工藝；然后采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝刻蝕帶有掩膜的硅片，刻蝕氣體可選擇氧基、氟基、氯基以及溴基氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，其特征在于:其中步驟①所述酸法刻蝕工藝，首先在P型單晶硅表面采用真空熱蒸發(fā)、直流濺射或電子束蒸發(fā)工藝沉積5nm-20nm的金屬薄膜，然后通過(guò)200°C -1000°C的快速熱退火使得金屬薄膜在P型單晶硅表面凝聚成均勻的金屬納米顆粒，金屬納米顆粒作為酸法刻蝕的催化劑；然后采用酸法刻蝕液，在一定條件下對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕得到多孔硅襯底，金屬納米顆粒也隨著刻蝕的進(jìn)行進(jìn)入多孔硅的孔隙底部，可省略步驟②。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，其特征在于:其中步驟②所述真空熱蒸發(fā)、直流濺射和電子束蒸發(fā)的靶材為金、銀、鈀、鉬固體金屬單質(zhì)靶材，而金屬溶膠旋涂和金屬溶膠滴涂則采用膠體金、膠體銀、膠體鈀、膠體鉬貴金屬顆粒懸濁液。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種室溫P-N-P異質(zhì)結(jié)型氫氣傳感器的制備方法，其特征在于:其中步驟③所述P型有機(jī)半導(dǎo)體敏感薄膜的材料為聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)及其衍生物。
【文檔編號(hào)】G01N27/12GK104502421SQ201410774303
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月16日
【發(fā)明者】太惠玲, 劉春華, 葉宗標(biāo), 蔣亞?wèn)| 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)