本发明专利技术公开一种硅纳米线基气体传感器元件及其制备方法和在检测丙酮中的应用，在硅纳米线表面引入纳米Ag和APTES双重修饰改性结构，即利用化学刻蚀形成硅纳米线过程中反应生成的金属Ag副产物实现硅纳米线的修饰改性，APTES在乙醇溶液中与硅纳米线发生相互作用，在纳米线表面形成APTES的氨基官能团的有效附着，从而极大地增强硅纳米线对有机丙酮分子的表面吸附能力，显著提高和改善硅纳米线传感器对丙酮的灵敏度响应。本发明专利技术的元件在室温和80％的相对湿度下对1ppm和2ppm丙酮有精确识别作用，有望应用于早期糖尿病的检测诊断。有望应用于早期糖尿病的检测诊断。有望应用于早期糖尿病的检测诊断。
【技术实现步骤摘要】
一种硅纳米线基气体传感器元件及其制备方法和在检测丙酮中的应用
[0001]本专利技术属于气体检测
，更加具体地说，公开了一种基于纳米银(Ag)和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)双重修饰的有序多孔硅纳米线基气体传感器元件，该传感器元件对丙酮气体在室温和高湿度环境中具有高灵敏度和超快响应特性。
技术介绍
[0002]随着全球经济的不断发展，人们的生活水平不断提高。然而，一种意想不到的疾病席卷全球，特别是在发达国家——糖尿病。糖尿病是一种慢性长期疾病，给患者带来无尽的痛苦。医学分析指出糖尿病可分为三类，5-10％的患者患有Ⅰ型糖尿病，90-95％的患者患有Ⅱ型糖尿病和妊娠期糖尿病(GDM)。2014年，全世界有4.42亿成年人患有糖尿病。但是，根据世卫组织的研究报告，患者数量仍在增加，预计到2030年这个数字将近5.52亿。当前糖尿病的临床检测多采用各种侵入性方法，但侵入性方法容易引起患者的不适和感染其他疾病的风险，而且通常需要专门的仪器和实验人员，导致侵入性方法检测糖尿病不仅昂贵而且不利于早期患者的及时诊断确诊。根据病理学调查和研究，一旦身体出现病症，患者的呼出气体中即会携带特定的气体组分，如糖尿病的特征呼出气体丙酮。不过人体呼出气的湿度非常高，相对湿度常常高于80％。有研究报告指出，正常人的呼出气中丙酮低于1ppm，患病人群普遍高于1.8ppm(MEMS-Based Acetone Vapor Sensor for Non-Invasive Screening of Diabetes，IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.18,NO.23,DECEMBER 1,2018；A Review of Biosensors for Non-Invasive Diabetes Monitoring and Screening in Human Exhaled Breath，Received October 24,2018,accepted December 6,2018,date of publication December 17,2018，date of current version January 16,2019，Digital Object Identifier 10.1109/ACCESS.2018.2887066)。因此，开发出一种常温抗高湿便携式的丙酮传感器对于糖尿病人的早期诊断是非常有必要的。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可应用于室温高湿环境下高灵敏快速检测丙酮的纳米Ag-APTES双重修饰改性的有序多孔硅纳米线基气体传感器元件及其制备方法和应用。本专利技术的技术方案明显改善硅纳米线阵列基气体传感器工作在室温高湿度环境下的灵敏度、响应速度、探测极限等气体敏感性能，实现传感器对丙酮气体的较高相对湿度灵敏、超快室温响应，有望应用于医疗领域实现对糖尿病的早期检测与诊断。
[0004]本专利技术的技术目的通过如下技术方案予以实现。
[0005]一种硅纳米线基气体传感器元件及其制备方法，按照下述步骤进行：
[0006]步骤1，将硅片进行刻蚀处理，以得到硅纳米线阵列；
[0007]将硅片置于氢氟酸水溶液中进行浸泡处理，再置于由硝酸银和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡处理，最后置于过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡处理，以得到刻
蚀的硅纳米线阵列；在氢氟酸水溶液中，氢氟酸浓度为1～2M，浸泡处理时间为1～2min；在硝酸银和氢氟酸的混合水溶液中，氢氟酸浓度为4—6M，硝酸银浓度为0.003～0.005M，浸泡处理时间为1～2min；在过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中，氢氟酸浓度为4—6M，过氧化氢浓度为0.4～1M，优选0.5—0.8M；
[0008]在步骤1中，浸泡处理温度为室温20—30摄氏度。
[0009]在步骤1中，在过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡处理(即刻蚀)的时间为30min～90min，随刻蚀时间增加，纳米线长度增加。
[0010]在步骤1中，硝酸银和氢氟酸的混合水溶液总体为100ml，氢氟酸浓度为4—6M，硝酸银浓度为0.003～0.005M，浸泡处理时间为1～2min。
[0011]在步骤1中，过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液总体为100ml，氢氟酸浓度为4—6M，过氧化氢浓度为0.4～1M。
[0012]步骤2，对步骤1刻蚀得到的硅纳米线阵列进行纳米银改性处理；
[0013]根据申请人及其专利技术人课题组之前的实验积累，完全去除纳米银颗粒需要在浓硝酸中浸泡处理5—10min；为取得取出部分纳米银，保留部分纳米银的目的，选择使用浓硝酸对经步骤1刻蚀的硅片进行浸泡处理，以去除部分纳米银颗粒，浸泡处理时间为30—90秒；
[0014]在步骤2中，使用的浓硝酸为质量百分数50-70％的浓硝酸。
[0015]在步骤2中，浸泡处理温度为室温20—30摄氏度，浸泡处理时间为40—80s。
[0016]步骤3，对步骤2处理的硅纳米线阵列进行APTES改性处理
[0017]将步骤2处理的硅片置于3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3)的无水乙醇溶液中进行处理，以使硅片表面羟基与3-氨丙基三乙氧基硅烷作用生成硅氧键，从而将3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基接枝到硅片表面，得到纳米银和3-氨丙基三乙氧基硅烷双重修饰的硅纳米线阵列；
[0018]在步骤3中，使用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对硅片进行第二步改性，并获得表面粗糙化结构，形成了具有高活性气体吸附性能的基于APTES和Ag纳米颗粒修饰的粗糙硅纳米线阵列，然后依次用乙醇、丙酮、乙醇和异丙醇清洗，最后放入真空干燥箱中进行干燥。
[0019]在步骤3中，在3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中，3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积百分数为5—25％，优选10—20％，反应温度为50—70摄氏度，优选60—70摄氏度，反应时间5—60min，优选20—40min。
[0020]在步骤3中，将步骤2处理的硅片充分干燥后，放入红外箱中4-10min进行处理。
[0021]步骤4，制备传感器电极
[0022]在经步骤3得到的硅片的表面设置镀铂叉指电极，以形成电极与硅片表面纳米线间的欧姆接触
[0023]在步骤4中，采用真空磁控溅射方法，借助硬模板进行镀铂叉指电极的制备，溅射靶材为质量纯度99.95％的金属铂，溅射气体为质量纯度99.999％的氩气，本体真空度为4.0
×
10-4
Pa，溅射时间4-6min。
[0024]在步骤4中，电极厚度为160～240nm。
[0025]在本专利技术技术方案中，硅片为单晶硅片，厚度为300—500μm，电阻率为10-15Ω
·
cm，晶向为<100>
±
0.5
°
。
[0026]在本专利技术技本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种硅纳米线基气体传感器元件，其特征在于，按照下述步骤进行：步骤1，将硅片进行刻蚀处理，以得到硅纳米线阵列；将硅片置于氢氟酸水溶液中进行浸泡处理，再置于由硝酸银和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡处理，最后置于过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡处理，以得到刻蚀的硅纳米线阵列；在氢氟酸水溶液中，氢氟酸浓度为1～2M，浸泡处理时间为1～2min；在硝酸银和氢氟酸的混合水溶液中，氢氟酸浓度为4—6M，硝酸银浓度为0.003～0.005M，浸泡处理时间为1～2min；在过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中，氢氟酸浓度为4—6M，过氧化氢浓度为0.4～1M，优选0.5—0.8M；步骤2，对步骤1刻蚀得到的硅纳米线阵列进行纳米银改性处理；使用浓硝酸对经步骤1刻蚀的硅片进行浸泡处理，以去除部分纳米银颗粒，浸泡处理时间为30—90秒；步骤3，对步骤2处理的硅纳米线阵列进行APTES改性处理将步骤2处理的硅片置于3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中进行处理，以使硅片表面羟基与3-氨丙基三乙氧基硅烷作用生成硅氧键，从而将3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基接枝到硅片表面，得到纳米银和3-氨丙基三乙氧基硅烷双重修饰的硅纳米线阵列；步骤4，制备传感器电极，在经步骤3得到的硅片的表面设置镀铂叉指电极，以形成电极与硅片表面纳米线间的欧姆接触。2.根据权利要求1所述的一种硅纳米线基气体传感器元件，其特征在于，硅片为单晶硅片，厚度为300—500μm，电阻率为10-15Ω
·
cm，晶向为<100>
±
0.5
°
。3.根据权利要求1所述的一种硅纳米线基气体传感器元件，其特征在于，在步骤1中，浸泡处理温度为室温20—30摄氏度；在过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡处理(即刻蚀)的时间为30min～90min，随刻蚀时间增加，纳米线长度增加；硝酸银和氢氟酸的混合水溶液总体为100ml，氢氟酸浓度为4—6M，硝酸银浓度为0.003～0.005M，浸泡处理时间为1～2min；过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液总体为100ml，氢氟酸浓度为4—6M，过氧化氢浓度为0.4～1M。4.根据权利要求1所述的一种硅纳米线基气体传感器元件，其特征在于，在步骤2中，使用的浓硝酸为质量百分数50-70％的浓硝酸，浸泡处理温度为室温20—30摄氏度，浸泡处理时间为40—80s；在步骤3中，在3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中，3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积百分数为5—25％，优选10—20％，反应温度为50—70摄氏度，优选60—70摄氏度，反应时间5—60min，优选20—40min。5.根据权利要求1所述的一种硅纳米线基气体传感器元件，其特征在于，在步骤4中，采用真空磁控溅射方法，借助硬模板进行镀铂叉指电极的制备，溅射靶材为质量纯度99.95％的金属铂，溅射气体为质量纯度99.999％的氩气，本体真空度为4.0
×
10-4
Pa，溅射时间4-6min；电极厚度...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦玉香，藏俊生，闻棕择，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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