一种半导体气敏传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体气敏传感器及其制备方法，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。本发明专利技术的高低起伏的有序结构提高了气敏薄膜与气体之间的相互作用面积，气敏薄膜沉积在金属纳米阵列上，通过调整金属纳米阵列的排布方式可以实现气敏薄膜结构的有效调控，有效提高了气敏薄膜检测气体的灵敏度。

A Semiconductor Gas Sensor and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种半导体气敏传感器及其制备方法
本专利技术属于微型薄膜气敏传感器制备
，涉及一种半导体气敏传感器及其制备方法。
技术介绍
随着人们对环保的日益重视，建设环境物联网有效监测有毒、可燃、易爆等气体成为必要，对气体传感器提出了高性能、微型化、多功能化等更高要求。近二十年来，纳米新材料研制技术发展迅速，特别是各种氧化物半导体纳米材料，如纳米线、纳米棒、纳米花、空心球或海绵状的多孔结构、异质结等等；将这些新颖的气敏材料涂覆或印刷到传统的传感器基底上(陶瓷管或带有加热板的平面基底)制备的气敏传感器灵敏度和选择性高、响应迅速，例如CN105152202A公开了一种锑掺杂花球状二氧化锡气敏材料的准备方法，该制备方法具体包括以氯化亚锡、三氯化锑和氢氧化钠为原料，以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，经水热反应、煅烧处理，得到锑掺杂花球状二氧化锡气敏材料。然而，此类基于传统基底的气敏传感器具有体积大、功耗较高、一致性差等缺点。近年来，微机电加工(MEMS)技术的发展和普及推动气敏传感器的基底转向悬空的“微加热盘”结构，这种新型结构在基底背面设计了隔热腔，能够有效降低功耗，如CN104034759A公开了一种MEMS半导体气体传感器，包括具有中空部的衬底和形成于衬底上的感测模块，所述感测模块包括依次层叠设置的第一绝缘层、加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层:所述传感器还包括控制模块和温度检测模块，温度检测模块、加热电阻和测试电极分别与所述控制模块连接：温度检测模块用于检测环境温度并将环境温度反馈至控制模块，控制模块根据环境温度调整加热电阻的加热功率，进而控制气体敏感层的温度至所需的工作温度，促成了气敏传感器的集成化和智能化。然而，将纳米材料制成浆料涂覆或印刷在微加热盘上难度很大，主要体现在两个方面：(1)涂覆或印刷过程容易破坏微加热盘上的悬空结构，成品率极低；(2)制备的气敏传感器一致性和批次稳定性差，难以保证产品质量。结合MEMS工艺中溅射镀膜技术(磁控或射频溅射)能够实现气敏材料的大面积均匀沉积，制作气敏薄膜。但是，溅射法制作的气敏膜表面非常致密，气体分子只能和表层材料接触，气敏性能较差。因此，调控MEMS工艺制备敏感膜的表面结构，提高薄膜型氧化物半导体气敏传感器的性能是当前技术的关键和难点。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种半导体气敏传感器及其制备方法。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种半导体气敏传感器，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。本专利技术提供的半导体气敏传感器包括的气敏薄膜沉积在金属纳米颗粒阵列上，通过金属纳米颗粒阵列使气敏薄膜具有高低起伏的有序结构，相较于传统致密的氧化物半导体薄膜的平面结构，本专利技术的高低起伏的有序结构提高了气敏薄膜与气体之间的相互作用面积，气敏薄膜沉积在金属纳米阵列上，通过调整金属纳米阵列的排布方式可以实现气敏薄膜结构的有效调控，有效提高了气敏薄膜检测气体的灵敏度。在本专利技术中，所述气敏薄膜为氧化物薄膜。优选地，所述氧化物膜为本征或掺杂的氧化锡薄膜、本征或掺杂的氧化钨薄膜、本征或掺杂的氧化锌薄膜或本征或掺杂的氧化镍薄膜中的任意一种或至少两种的组合，如本征氧化锡和本征氧化镍的组合、本征氧化锡和掺杂的氧化钨的组合、本征的氧化钨和掺杂的氧化锌的组合等。所述组合典型但非限制性，其他本领域常用的可达到相同技术效果的氧化物半导体气敏薄膜也可用于本专利技术。在本专利技术中，本征相对于掺杂而言，指的是纯净无杂质，本征氧化锡薄膜指的是纯净没有任何杂质的氧化锡薄膜。在本专利技术中，所述金属纳米颗粒阵列以六角密排方式排列。在本专利技术中，金属纳米颗粒阵列在水/空气界面自组装形成六角密排的有序结构，但是本专利技术提供的半导体气敏薄膜中的金属纳米颗粒阵列并不仅仅只有六角密排方式，也同样可以以其他图案方式有序排列。优选地，所述气敏薄膜的厚度为所述金属纳米颗粒直径的1-5倍，例如1倍、2倍、3倍、4倍、5倍等。在本专利技术中，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、铂纳米颗粒或钯纳米颗粒中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选金纳米颗粒。优选地，所述金属纳米颗粒的直径为2-20nm(例如2nm、5nm、10nm、12nm、15nm、17nm、20nm等)，进一步优选10nm。优选地，所述金属纳米颗粒外侧具有包覆层。优选地，所述包覆层为硫醇类包覆层、羧化物包覆层、胺类包覆层或DNA类包覆层中的任意一种。优选地，所述包覆层为烷基硫醇包覆层，进一步优选十二烷基硫醇。烷基硫醇可以是十六烷基硫醇、十二烷基硫醇或十烷基硫醇等。优选地，所述包覆层的厚度为1-5nm(例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm等)，进一步优选2nm。在本专利技术中，所述半导体气敏传感器还包括传感器基底，所述金属纳米颗粒阵列在所述传感器基底上。优选地，所述传感器基底为微型加热盘。优选地，所述微型加热盘包括加热层、两个独立电极、二氧化硅绝缘层和叉指电极，其中，所述二氧化硅绝缘层覆盖在所述加热层上方，所述独立电极位于所述二氧化硅绝缘层上方并且穿过所述二氧化硅绝缘层与所述加热层相连接，所述叉指电极位于所述二氧化硅绝缘层上方并不与所述独立电极接触。在本专利技术中，两个独立电极都分别穿过二氧化硅绝缘层与加热层相连接。优选地，所述二氧化硅绝缘层厚度为200nm。优选地，所述叉指电极为金叉指电极。优选地，所述传感器基底为暴露有叉指电极区域的微型加热盘。优选地，所述金属纳米颗粒阵列位于所述传感器基底上暴露有叉指电极的区域。在本专利技术中，加热层包括利用电子束或热蒸发法制备的Pt蛇形加热丝，绝缘层为CVD生长的二氧化硅层，叉指电极可以为金叉指电极，也可以为钛金叉指电极或钛铂叉指电极。在本专利技术中，所述半导体气敏传感器还包括传感器衬底，所述传感器衬底位于所述传感器基底下方。优选地，所述传感器衬底从上到下依次为绝缘层、单晶硅衬底和绝缘层。优选地，所述绝缘层为氮化硅绝缘层。优选地，所述绝缘层的厚度为300nm。优选地，所述传感器衬底包括隔热腔，所述隔热腔位于气敏薄膜下方。另一方面，本专利技术提供了如上所述的半导体气敏传感器的制备方法，所述制备方法为：在半导体气敏传感器的金属纳米颗粒阵列上沉积气敏薄膜，得到所述半导体气敏传感器。本专利技术提供的方法简单易行，通过在金属纳米颗粒阵列上沉积气敏薄膜，使气敏薄膜具有高低起伏的有序结构，从而制备得到的气敏传感器灵敏度高且一致性好。优选地，所述气敏薄膜沉积在以六角密排方式排列的金属纳米颗粒阵列上。优选地，所述沉积采用的方法为溅射法。优选地，所述溅射法为磁控溅射法或射频溅射法，但是并不局限于这两种方法，其他本领域常用的可达到相同效果的溅射方法也可用于本专利技术。优选地，沉积气敏薄膜后，对得到的半导体气敏传感器进行退火处理。优选地，所述退火处理为在400-700℃的氩气和氢气的混合气氛下做退火处理，所述400-700℃可以是400℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃等。优选地，所述退火处理的时间为1-5h(例如1h、2h、3h、4h、5h等)，进一步优选2h。优选地，所述混合气氛中氢气的体积分数为5％。优选地，所述金属纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。

【技术特征摘要】
1.一种半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。2.根据权利要求1所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述气敏薄膜为氧化物薄膜；优选地，所述氧化物膜包括本征或掺杂的氧化锡薄膜、本征或掺杂的氧化钨薄膜、本征或掺杂的氧化锌薄膜和本征或掺杂的氧化镍薄膜中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒阵列以六角密排方式排列；优选地，所述气敏薄膜的厚度为所述金属纳米颗粒直径的1-5倍。4.根据权利要求3所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、铂纳米颗粒或钯纳米颗粒中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选金纳米颗粒；优选地，所述金属纳米颗粒的直径为2-20nm，进一步优选10nm；优选地，所述金属纳米颗粒外侧具有包覆层；优选地，所述包覆层包括硫醇类包覆层、羧化物包覆层、胺类包覆层或DNA类包覆层中的任意一种；优选地，所述包覆层为烷基硫醇包覆层，进一步优选十二烷基硫醇；优选地，所述包覆层的厚度为1-5nm，进一步优选2nm。5.根据权利要求3或4所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器还包括传感器基底，所述金属纳米颗粒阵列位于所述传感器基底上；优选地，所述传感器基底为微型加热盘；优选地，所述微型加热盘包括加热层、两个独立电极、二氧化硅绝缘层和叉指电极，其中，所述二氧化硅绝缘层覆盖在所述加热层上方，所述独立电极位于所述二氧化硅绝缘层上方并且穿过所述二氧化硅绝缘层与所述加热层相连接，所述叉指电极位于所述二氧化硅绝缘层上方并不与所述独立电极接触；优选地，所述二氧化硅绝缘层厚度为200nm；优选地，所述叉指电极为金叉指电极；优选地，所述传感器基底为暴露有叉指电极区域的微型加热盘；优选地，所述金属纳米颗粒阵列位于所述传感器基底上暴露有叉指电极的区域。6.根据权利要求5所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器还包括传感器衬底，所述传感器衬底位于所述传感器基底下方；优选地，所述传感器衬底从上到下依次为绝缘层、单晶硅衬底和绝缘层；优选地，所述绝缘层为氮化硅绝缘层；优选地，所述绝缘层的厚度为300nm；优选地，所述传感器衬底包括隔热腔，所述隔热腔位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王颖，韩宁，汪舟，陈运法，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11