一种气敏传感器基底及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种气敏传感器基底及其制备方法和应用，所述气敏传感器基底包括依次层叠设置的光源层、半导体衬底层以及气敏传感材料层。本发明专利技术在气敏传感器基底中引入原位光源层，实现气敏传感器的原位增强，使传感器在低温下同样具有较高的灵敏度，稳定性高，重现性好，且能够提升基底的光利用率，表面增强效果更好，能够满足多种需求的气敏传感器，且制备工艺简单，成本低廉。成本低廉。成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种气敏传感器基底及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种气敏传感器基底及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]金属氧化物半导体型气敏传感器作为一种超灵敏和高精度的分析工具在工业检测、环境分析和生物医学等领域已经展现出强大的能力。如今该技术面向实际应用的最大困境在于传感器的高工作温度问题，高工作温度导致材料稳定性变差，制约了该类型传感器的应用。尽管各种活性材料被开发用来改善低温性能，延长器件寿命和检测特殊的目标气体，截止到目前，仍很难得到一种同时低温下兼具高灵敏度，高稳定性，低成本的气敏传感器。
[0003]CN105842290A公开了一种用于改善气敏传感器性能的无机
‑
有机复合气敏传感器的真空原位复合方法，通过在高真空中对氧化物半导体多孔纳米固体进行热处理，彻底去除样品表面吸附的气体分子及其他杂质，以便获得清洁的表面；随后，在保持高真空状态情况下，引入有机半导体溶液浸泡氧化物半导体多孔纳米固体，使有机半导体分子与清洁的固体表面充分接触和成键，在对表面进行修饰的同时形成无机
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有机复合半导体气敏材料。该专利技术提供的气敏传感器的工作温度在100℃，温度较高，材料稳定性变差，影响器件寿命。
[0004]CN110231372A公开了一种用于丙酮检测的气敏传感器及其制备方法，该气敏传感器包含：气敏传感器本体，该气敏传感器本体上还包覆有三氧化钨
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二碳化三钛复合材料涂膜。该专利技术首次将二碳化三钛材料应用到气敏传感器，通过在传统的气敏传感器上涂覆三氧化钨
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二碳化三钛复合材料涂膜，极大的增强了传统三氧化钨对于丙酮的气敏性能，提高了对于丙酮的选择性，具备高的灵敏度，灵敏度最高可达25，相对传统的三氧化钨气敏传感器灵敏度提升可达5倍，即使在气体浓度为2ppm时也可检测，并且具备快的响应速度，并且具备较好的重复稳定性。但是该专利技术提供的气敏传感器的工作温度高达300℃，严重影响器件寿命。
[0005]因此，本领域亟待开发一种能够低温下具有较高的灵敏度的气敏传感器。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种气敏传感器基底，，特别在于提供一种原位光增强气敏传感器基底，所述气敏传感器基底组装成的气敏传感器在低温下具有较高的灵敏度，稳定性高，能耗低，重现性高，且制备工艺简单、成本低廉。
[0007]为达此目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种气敏传感器基底，所述气敏传感器基底包括依次层叠设置的光源层、半导体衬底层以及气敏传感材料层。
[0009]本专利技术提供了一种新型的气敏传感器基底，在基底中引入原位光源层，实现气敏传感器的原位增强，使传感器在低温(10～100℃)下同样具有较高的灵敏度，稳定性高，重
现性好，且能够提升基底的光利用率，表面增强效果更好，能够满足多种需求的气敏传感器，且制备工艺简单，成本低廉。
[0010]优选地，所述光源层为发光二极管光源层。发光二极管是一种节能的发光器件，具有良好的波长选择性，可以替代加热芯片提高气敏传感器的传感效能，降低工作温度和能耗，并且能保持气敏材料的稳定性和使用寿命。
[0011]优选地，所述发光二极管光源层包括层叠设置的蓝宝石衬底以及设置在所述蓝宝石衬底上的P型半导体和N型半导体。所述P型半导体与N型半导体的交界面形成空间电荷区，称为PN结。
[0012]优选地，所述光源层的发光波长为254
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405nm，例如260nm、270nm、280nm、290nm、300nm、310nm、320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、370nm、380nm、390nm、400nm等。
[0013]优选地，所述半导体衬底层的材料包括氮化镓、氮化铝或氮化铟中的任意一种或至少两种组合。
[0014]优选地，所述氮化镓为n型氮化镓。
[0015]优选地，所述气敏传感材料层的材料包括金属氧化物，优选氧化锌、氧化钴或氧化铈中的任意一种或至少两种组合。
[0016]优选地，所述半导体衬底层和气敏传感材料层均具有微孔阵列结构。
[0017]本专利技术优选半导体衬底层和气敏传感材料层具有微孔阵列结构，所述微结构阵列是由多个微结构阵列排布而成，相比于二维基底，本专利技术通过引入微孔阵列结构能够使基底具有更多的活性“热点”以及更大的比表面积，同时，微孔阵列结构也为光线的射入提供了良好的通道，从而进一步提升表气敏传感器基底的表面增强效果、稳定性和灵敏度和重现性。
[0018]优选地，所述半导体衬底层与气敏传感材料层的微孔阵列结构相同。
[0019]优选地，所述微孔阵列结构中微孔的形状为六边形或圆形。
[0020]优选地，所述微孔阵列结构中微孔的孔径为50
‑
100nm，优选50
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80nm，例如55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm等。此处所述孔径指的是孔中最远两个点的直线距离，即最大孔径。
[0021]优选地，所述气敏传感材料层直接设置在所述半导体衬底层之上，不与所述光源层接触。
[0022]优选地，所述光源层的厚度为3
‑
4μm，例如3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm等，优选3.2μm。
[0023]优选地，所述半导体衬底层的厚度为3
‑
7μm，例如3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm等，优选5μm。
[0024]优选地，所述气敏传感材料层的厚度为10
‑
60nm，例如20nm、30nm、40nm、50nm等。
[0025]本专利技术的目的之二在于提供一种目的之一所述的气敏传感器基底的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0026](1)在光源层上气相外延生长半导体材料，得到半导体衬底层；
[0027](2)在所述半导体衬底层上原位生长金属氧化物，形成气敏传感材料层，得到所述气敏传感器基底。
[0028]本专利技术提供的制备方法中，原位形成半导体衬底层和气敏传感材料层，工艺方法
简单，易于量产。
[0029]此外，相较于现有技术中将制备好的气敏传感芯片安装在外接光源的方法，本专利技术原位生长金属氧化物的方法避免了现有技术中外接光源的使用，能够进一步提高光源利用率，在相同的增强光源下，能够进一步提高表面增强效果、稳定性、灵敏度和重现性。
[0030]优选地，步骤(1)中，所述半导体材料包括氮化镓、氮化铝或氮化铟中的任意一种或至少两种组合。
[0031]优选地，步骤(1)中，所述气相外延生长的气体包括氨气、GaCl、氢气和氮气的组合。
[0032]优选地，步骤(1)还包括：将得到的半导体衬底层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气敏传感器基底，其特征在于，所述气敏传感器基底包括依次层叠设置的光源层、半导体衬底层以及气敏传感材料层。2.根据权利要求1所述的气敏传感器基底，其特征在于，所述光源层为发光二极管光源层；优选地，所述半导体衬底层的材料包括氮化镓、氮化铝或氮化铟中的任意一种或至少两种组合；优选地，所述气敏传感材料层的材料包括金属氧化物，优选氧化锌、氧化钴或氧化铈中的任意一种或至少两种组合。3.根据权利要求1或2所述的气敏传感器基底，其特征在于，所述半导体衬底层和气敏传感材料层均具有微孔阵列结构；优选地，所述半导体衬底层与气敏传感材料层的微孔阵列结构相同；优选地，所述微孔阵列结构中微孔的形状为六边形或圆形；优选地，所述微孔阵列结构中微孔的孔径为50
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100nm，优选50
‑
80nm；优选地，所述气敏传感材料层直接设置在所述半导体衬底层之上，不与所述光源层接触。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的气敏传感器基底，其特征在于，所述光源层的厚度为3
‑
4μm，优选3.2μm；优选地，所述半导体衬底层的厚度为3
‑
7μm，例如3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm等，优选5μm；优选地，所述气敏传感材料层的厚度为10
‑
60nm。5.一种根据权利要求1
‑
4中任一项所述的气敏传感器基底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在光源层上气相外延生长半导体材料，得到半导体衬底层；(2)在所述半导体衬底层上原位生长金属氧化物，形成气敏传感材料层，得到所述气敏传感器基底。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述半导体材料包括氮化镓、氮化铝或氮化铟中的任意一种或至少两种组合；优选地，步骤(1)中，所述气相外延生长的气体包括氨气、GaCl、氢气和氮气的组合；优选地，步骤(1)还包括：将得到的半导体衬底层进行超声清洗，随后用N2吹干；优选地，所述超声清洗依次在王水、丙酮、乙醇和去离子水中进行；优选地，所述超声清洗的时间为20
‑
50min，例如25min、30min、35min、40min、45min等。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)之后进行步骤(1
’
)：对步骤(1)得到的半导体衬底层进行刻蚀，得到具有微孔阵列结构的半导体衬底层；优选地，步骤(1
’
)中，所述刻蚀的方法包括电化学刻蚀或光电化学湿法刻蚀；优选地，所述光电化学湿法刻蚀的刻蚀液包括离子液体，优选1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑三氟甲磺酸盐；优选地，所述光电化学湿法刻蚀的光源包括氙灯；优选地，所述氙灯的功率为200
‑
400W；优选地，所述光电化学湿法刻蚀的压力为4
‑
6V；
优选地，所述光电化学湿法刻蚀的时间为10
‑
30min；优选地，在所述刻蚀之后，使用去离子水清洗所述半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘革波，周全，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：