基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种能够检测气体种类和相应气体的浓度；并且响应速率快，识别率高的基于石墨烯‑金属异质结的气体传感器阵列及其制备方法。该气体传感器阵列包括基底和形成在所述基底上的多组基于石墨烯‑金属异质结的电阻式气体传感器；所述气体传感器阵列的制备方法包括步骤S1、在基底上加工出金属电极阵列和导电引线；S2、将石墨烯转移到制有金属电极阵列的基底上；S3、利用等离子体刻蚀，将基底上多余的石墨烯刻蚀掉，形成电阻式气体传感器；S4、利用磁控溅射镀膜，加工出气体传感器顶层的覆盖层。采用该基于石墨烯‑金属异质结的气体传感器阵列及其制备方法，在矿井作业，食品安全检测，环境监测、机器人电子鼻等方面有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列及其制备方法
本专利技术涉及传感器
，具体的涉及一种基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列的制备方法。
技术介绍
气体传感器是一种集成气体敏感材料的器件，通过敏感材料对气体分子的吸附，从而导致其电学性能变化，最终获得气体浓度变化与电学性能变化之间的函数关系。石墨烯作为新兴的二维纳米材料，近年来在气体传感器上得到了全面的发展。近期研究表明石墨烯气体传感器具有工作温度低、功耗小、灵敏度高等特点。2007年，英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆研究小组首次用石墨烯制作了用于单分子检测的气体传感器。机械剥离的少层石墨烯在传感器中起到了重要作用，被用于NO2气体的检测。通过分析漏电流-栅电压(Id-Vg)曲线的变化，可以检测到浓度为1ppb(1ppb＝10-9)的NO2，灵敏达到当前气体传感器的最高水平。安德烈.海姆等人认为石墨烯超高的电导率和极低的本征噪声是室温下气体分子检测具有超高灵敏度的原因。首先，石墨烯的每个碳原子都是表面原子，使单位体积内的接触面积可以足够大，检测气体时石墨烯的碳原子完全暴露在测试气体中，使碳原子与目标气体分子的接触面积达到最大。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于石墨烯‑金属异质结的气体传感器阵列，其特征在于：包括SiO2/Si基底(8)；所述SiO2/Si基底(8)上表面的中间位置设置有主线路(10)；所述主线路(10)的两端均设置有第一接线端子(11)；所述主线路(10)两侧均设置有电阻式传感器；所述电阻式传感器包括金属电极、金属电极上的石墨烯薄膜(9)以及顶层的金属覆盖层(12)；所述金属电极均包括两个电极单元，两个电极单元上表面设置有连续的石墨烯薄膜(9)；两个电极单元间隙正上方的石墨烯薄膜上表面设置有金属覆盖层(12)；两个电极单元中的一个电极单元与主线路(10)连通，另一个电极单元设置有第二接线端子(7)。

【技术特征摘要】
1.基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列，其特征在于：包括SiO2/Si基底(8)；所述SiO2/Si基底(8)上表面的中间位置设置有主线路(10)；所述主线路(10)的两端均设置有第一接线端子(11)；所述主线路(10)两侧均设置有电阻式传感器；所述电阻式传感器包括金属电极、金属电极上的石墨烯薄膜(9)以及顶层的金属覆盖层(12)；所述金属电极均包括两个电极单元，两个电极单元上表面设置有连续的石墨烯薄膜(9)；两个电极单元间隙正上方的石墨烯薄膜上表面设置有金属覆盖层(12)；两个电极单元中的一个电极单元与主线路(10)连通，另一个电极单元设置有第二接线端子(7)。2.如权利要求1所述的基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列，其特征在于：所述主线路(10)两侧设置有六个电阻式传感器；六个电阻式传感器的电极分别为：Au电极(1)、Ag电极(2)、Ni电极(3)、Pt电极(4)、Pd电极(5)以及Al电极(6)。3.如权利要求1所述的基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列，其特征在于：所述电极单元的厚度为50～100nm；两个电极单元之间的间距d远小于电极单元本身的宽度L；所述电阻式传感器顶层的金属覆盖层的厚度为30～50nm；覆盖层金属为Au或者Al。4.如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用光刻技术和金属薄膜沉积技术在基底(8)上加工出金属电极阵列和各个传感单元的导电引线；S2、将石墨烯薄膜(9)转移到制有金属电极阵列的基底(8)上，使石墨烯薄膜(9)完全覆盖在金属电极上；S3、利用光刻技术和等离子体刻蚀技术，将基底(8)上多余的石墨烯薄膜刻蚀掉，保留电极单元及其间隙正上方的石墨烯薄膜(9)，从而形成电阻式传感器；S4、利用光刻技术和金属薄膜沉积技术，加工出电阻式传感器顶层的金属覆盖层(12)，将各个传感器中两个电极单元间隙上方的石墨烯薄膜完全覆盖。5.如权利要求4所述的基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，制备金属电极阵列先使用负性光刻胶RPN-1150，做出电极图形，具体步骤如下：S11、涂胶；使用匀胶机在样片表面旋涂一层光刻胶，匀胶机的转速设置为：先低速(1000转/分)旋转10秒，接着高速(3000转/分)旋转40±2s；旋涂之后光刻胶的厚度为2.5±0.05μm；S12、前烘；涂胶前打开热板电源开关，设置加热温度为90±2℃；待温度稳定后，将涂有光刻胶的样片放置在热板上烘焙90±1s；S13、曝光；打开光刻机电源开关，开汞灯预热20分钟以上，将掩膜板装在掩膜夹具上，将烘干的样片放置在样品托盘上，移动载样托盘，使样片和掩膜板上的图形对准，完成对板后设置曝光时间为7.5±0.5s，开始曝光；S14、后烘；将热板温度设定为110±2℃，待温度稳定后，将曝光后的样片放置在热板上烘焙60±10s后，迅速将样片从热板上取下；S15、显影；在洁净的培养皿中盛适量的型号为RZX-3038的显影液，将经过后烘处理的样片放入显影液中进行显影，时间为50±2s，然后使用去离子水多次清洗样片，最后用N2枪将样片吹干；S16、紫外线臭氧清洗处理；将显影后的样片放入紫外臭氧清洗机(BZS250GF-TC)的腔室内，打开电源开关，设置去胶时间为3～5分钟，打开紫外灯开关，开始去图形区的残胶；S17、坚膜；将经过紫外臭氧清洗处理的样片放置在温度为110±2℃的热板上烘焙；烘焙时间为5～15分钟；烘焙结束后，关闭热板电源并取样。6.如权利要求4所述的基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列的制备方法，其特征在于：在步骤S2中将石墨烯薄膜(9)转移到制有金属电极阵列的基底上采用以下具体步骤：S21、涂胶；使用匀胶机在长有石墨烯的Cu衬底表面旋涂一层PMMA，匀胶机的转速设置为：先低速(500转/分)旋转15秒，接着高速(1500转/分)旋转45±3s；旋涂之后胶的厚度为100±5nm；S22、前烘；旋涂前打开热板的电源开关，设置加热温度为90±1℃，待温度稳定后，将涂有PMMA的Cu衬底放置在热板上烘焙90±2s，使PMMA固化；S23、刻蚀Cu衬底；利用去离子水在培养皿中配制浓度为1mol·L-1的过硫酸铵刻蚀液300～500mL，使用棉签擦除衬底背面的石墨烯，然后将涂有PMMA的Cu衬底放入刻蚀液中刻蚀2.5～5小时；待完全看不到Cu衬底后，刻蚀结束；S24、转移；利用洁净的载玻片将刻蚀掉生长基底的石墨烯/PMMA薄膜从刻蚀液中捞出，在大培养皿中使用去离子水对薄膜反复进行漂洗，然后将薄膜转移到硅片目标位置上；S25、后烘；薄膜转移到硅片上之后，先将样品放在干净的无尘纸上晾5～10分钟，待薄膜和衬底之间的水挥发完之后，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全福，朱小虎，张祺，刘卫华，彭慧玲，刘林生，宋辉，李廷会，汪海船，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：发明
国别省市：广西,45