可快速识别气体分子的半导体传感器及其制备与使用方法技术

本发明专利技术属于传感技术领域，具体涉及一种可快速识别气体分子的半导体传感器及其制备与使用方法

【技术实现步骤摘要】
可快速识别气体分子的半导体传感器及其制备与使用方法


[0001]本专利技术涉及传感
，具体涉及一种可快速识别气体分子的半导体传感器及其制备方法和使用方法
。

技术介绍

[0002]金属氧化物半导体气体传感器由于较好的材料稳定性
、
较小的尺寸
、
极低的成本
、
硅工艺兼容性
、
易于布网等优点，是构筑物联网气体传感器进行网格化监测预警的理想单元
。
伴随着新材料
(
尤其是二维材料
、
金属有机框架材料
MOFs)
的不断涌现
、
先进缺陷表征及控制技术的发展
、
精细纳米构筑技术及机器学习算法的快速发展，氧化物半导体气体传感器的多个关键性能指标
(
如灵敏度
、
选择性
、
稳定性
、
抗湿性
、
响应与恢复时间等
)
在过去十年都有显著的进展
。
[0003]尤其是制约半导体传感器应用的选择性瓶颈，利用传感器的加热器进行变温热调制测试，已被证实是一种可高效挖掘不同待测气体分子内在特征的有效方法，可准确识别结构
、
性质相似的挥发性有机物
(VOCs)
，甚至是分子量
、
官能团都相同的同分异构体
。
如公开号为
CN109709163A
的中国专利技术专利公开了一种
P
型金属氧化物气体传感器及其制备和使用方法；如公开号为
CN113030194A
的中国专利技术专利公开了气体传感器阵列
、
三种醇种类及其浓度的识别方法
。
[0004]尽管热调制很大程度上提升了半导体气体传感器的选择性，然而，现阶段的热调制主要依靠集成在敏感层底部或外围的外加热器来实现，外加热器加热到设定温度所用的时间
(
即热弛豫时间
)
跟传感器构型
(
加热器
、
绝缘层
、
敏感层位置
、
材料
、
尺寸等
)
相关，对常规的陶瓷片式加热器
(
氧化铝陶瓷片边长
1.5
‑
2mm
，厚度
0.25
‑
0.3mm)
，热弛豫时间一般为3‑
5s
，因而传感器进行变温热调制识别时，最快需要4‑
5s
才能完成瞬态信号采集，导致以下缺陷：首先，热调制瞬态信号采集时间较长
(>4s)
，仅适用于静态或准静态
(
目标气体种类与浓度变化慢
)
的场合，限制了传感器在目标气体快速动态变化场合
(
如室外
、
室内有气流等
)
中的应用；其次，较长的测试时间，降低了传感器的采样率
(
单位时间识别次数
)
，限制了传感器在网格化监测应用中追踪目标气体的快速变化趋势；再次，现有热调制主要利用传感器集成的加热器，传感器制备时需集成加热器，限制了柔性衬底的使用，同样也显著增加了器件的功耗与制备成本，不利于传感器的无线
、
网格化监测应用
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1、
取带有
0.05
×
0.05mm2‑2×
2mm2开孔的不锈钢掩膜，将不锈钢掩膜紧贴绝缘衬底的表面，绝缘衬底上设置有叉指电极且叉指电极所在的位置与开孔相对应；将贴有不锈钢掩膜的绝缘衬底倾斜装入磁控溅射腔体中，衬底法线同金属溅射粒子束流的夹角
α
为
75
‑
95
°
，同时将金属靶材装入磁控溅射腔体中，所述金属靶材为
W
靶
、Sn
靶
、In
靶
、Zn
靶
、Ti
靶中
的任意一种；将腔体抽真空至1×
10
‑3Pa
以下，同时通入高纯氩气和氧气，控制磁控溅射腔体的压强为
0.2
‑
10Pa、
射频功率
100
‑
400W
，在贴有不锈钢掩膜的绝缘衬底的表面溅射金属，溅射时间为
20
‑
120min
，溅射结束后将腔体破真空，揭去不锈钢掩膜，在叉指电极以及叉指电极所在的绝缘衬底表面上均镀有氧化物纳米棒阵列薄膜；
[0007]S2、
将镀有氧化物纳米棒阵列薄膜的绝缘衬底直接退火处理，或者经贵金属敏化处理后再进行退火处理，退火处理为置于
300
‑
400℃
的空气或氧气气氛下保温1‑
10h
，氧化物纳米棒阵列薄膜充分氧化
、
结晶形成氧化物半导体敏感膜，所述氧化物半导体敏感膜
、
叉指电极与绝缘衬底一起共同构成可快速识别气体分子的半导体传感器
。
[0008]作为可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法进一步的改进：
[0009]优选的，所述绝缘衬底为石英衬底
、
玻璃衬底
、
聚酰亚胺
PI
衬底中的任意一种，厚度为
0.05
‑
1mm。
[0010]优选的，步骤
S2
中将镀有氧化物纳米棒阵列薄膜敏感层的绝缘衬底进行贵金属敏化处理的具体步骤如下：
[0011]在步骤
S1
中选用双靶或多靶磁控溅射腔体，在磁控溅射腔体中装入金属靶材的同时装入贵金属靶材，所述贵金属靶材为
Au
靶
、Pt
靶
、Pd
靶
、Ag
靶中的任意一种；在溅射金属靶材时，用挡板遮挡贵金属靶材，待金属靶材沉积结束后，用挡板遮挡金属靶材，将绝缘衬底调水平，衬底法线同金属溅射粒子束流的夹角
α
为0‑
10
°
，同时通入高纯氩气，控制磁控溅射腔体的压强为
0.2
‑
10Pa
；在射频功率
50
‑
100W
下溅射贵金属靶材
0.5
‑
2min
，得到表面有贵金属敏化的氧化物纳米棒阵列薄膜敏感层
。
[0012]优选的，步骤
S1
中通入高纯氩气的流量为4‑
20sccm
，通入氧气的流量为6‑
20sc本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
取带有
0.05
×
0.05mm2‑2×
2mm2开孔的不锈钢掩膜，将不锈钢掩膜紧贴绝缘衬底的表面，绝缘衬底上设置有叉指电极且叉指电极所在的位置与开孔相对应；将贴有不锈钢掩膜的绝缘衬底倾斜装入磁控溅射腔体中，衬底法线同金属溅射粒子束流的夹角
α
为
75
‑
95
°
，同时将金属靶材装入磁控溅射腔体中，所述金属靶材为
W
靶
、Sn
靶
、In
靶
、Zn
靶
、Ti
靶中的任意一种；将腔体抽真空至1×
10
‑3Pa
以下，同时通入高纯氩气和氧气，控制磁控溅射腔体的压强为
0.2
‑
10Pa、
射频功率
100
‑
400W
，在贴有不锈钢掩膜的绝缘衬底的表面溅射金属，溅射时间为
20
‑
120min
，溅射结束后将腔体破真空，揭去不锈钢掩膜，在叉指电极以及叉指电极所在的绝缘衬底表面上均镀有氧化物纳米棒阵列薄膜；
S2、
将镀有氧化物纳米棒阵列薄膜的绝缘衬底直接退火处理，或者经贵金属敏化处理后再进行退火处理，退火处理为置于
300
‑
400℃
的空气或氧气气氛下保温1‑
10h
，氧化物纳米棒阵列薄膜充分氧化
、
结晶形成氧化物半导体敏感膜，所述氧化物半导体敏感膜
、
叉指电极与绝缘衬底一起共同构成可快速识别气体分子的半导体传感器
。2.
根据权利要求1所述的可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘衬底为石英衬底
、
玻璃衬底
、
聚酰亚胺
PI
衬底中的任意一种，厚度为
0.05
‑
1mm。3.
根据权利要求1所述的可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中将镀有氧化物纳米棒阵列薄膜敏感层的绝缘衬底进行贵金属敏化处理的具体步骤如下：在步骤
S1
中选用双靶或多靶磁控溅射腔体，在磁控溅射腔体中装入金属靶材的同时装入贵金属靶材，所述贵金属靶材为
Au
靶
、Pt
靶
、Pd
靶
、Ag
靶中的任意一种；在溅射金属靶材时，用挡板遮挡贵金属靶材，待金属靶材沉积结束后，用挡板遮挡金属靶材，将绝缘衬底调水平，衬底法线同金属溅射粒子束流的夹角
α
为0‑
10
°
，同时通入高纯氩气，控制磁控溅射腔体的压强为
0.2
‑
10Pa
；在射频功率
50
‑
100W
下溅射贵金属靶材
0.5
‑
2min
，得到表面有贵金属敏化的氧化物纳米棒阵列薄膜敏感层
。4.
根据权利要求1所述的可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中通入高纯氩气的流量为4‑
20sccm
，通入氧气的流量为6‑
20sccm。5.
根据权利要求1所述的可快速识别气体分子的半导体传感器的制备方法，其特征在于，所述叉指电极由两个相对设置的齿状叉指电极组成，两个齿状叉指电极的电极齿相互交错形成蛇形沟道，蛇形沟道的宽度为2‑
50
μ
m
，叉指区域的大小为
0.05
×
0.05mm2‑2×
2mm2，所述叉指电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟钢，李蒙，陶汝华，方晓东，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：