一种低温检测氮氧化物气敏元件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低温（150oC）检测氮氧化物气敏元件的制备方法：首先采用p型单晶硅作为基底，利用双槽电化学的方法在基底表面制备多孔硅层；其次以金属钨作为耙材，利用磁控溅射的方法在多孔硅表面沉积金属钨薄膜；然后，在水平管式炉中采用热退火金属钨薄膜的方法制备多孔硅/氧化钨纳米线复合结构；最后，在多孔硅/氧化钨纳米线复合结构表面沉积铂电极，制得低温检测氮氧化物气敏元件，其在低温且对低浓度NOx气体具有高灵敏度、高选择性以及良好响应恢复特性。该方法具有设备简单、操作方便、工艺参数易于控制、成本低的优点，具有重要的实践与研究意义。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种低温（150oC）检测氮氧化物气敏元件的制备方法：首先采用p型单晶硅作为基底，利用双槽电化学的方法在基底表面制备多孔硅层；其次以金属钨作为耙材，利用磁控溅射的方法在多孔硅表面沉积金属钨薄膜；然后，在水平管式炉中采用热退火金属钨薄膜的方法制备多孔硅/氧化钨纳米线复合结构；最后，在多孔硅/氧化钨纳米线复合结构表面沉积铂电极，制得低温检测氮氧化物气敏元件，其在低温且对低浓度NOx气体具有高灵敏度、高选择性以及良好响应恢复特性。该方法具有设备简单、操作方便、工艺参数易于控制、成本低的优点，具有重要的实践与研究意义。【专利说明】
本专利技术是关于气敏传感器的，尤其涉及一种多孔硅基与一维氧化钨纳米线复合结构低温气敏传感器兀件的制备方法。
技术介绍
随着工业技术的飞速发展与人们生活水平的不断提高，生产生活过程中带来的各种气体污染物大量增加，大量有毒有害气体及可燃性气体(如N02、NH3> CO和H2等)在污染环境的同时也严重威胁着人类的健康和安全。尤其氮氧化物(NOx)作为一种强毒性气体，是酸雨和光化学烟雾的主要来源，为此，随着科学技术的进步，对有毒有害的氮氧化物的检测、监控、报警的要求越来越高，为新型高性能的探测氮氧化物气敏元件的研究与开发提供了广阔的空间氧化钨属于η型宽禁带半导体，在气体传感器、光电器件以及光催化等领域均有广泛的应用，尤其其对NOx气体有很高的灵敏度和选择性，被认为是极有研究与应用前景的半导体气体敏感材料。然而氧化钨工作温度远高于室温(200° C?300° C)这一特点使得基于氧化钨气敏传感器结构需要考虑加热装置，这极大的增加了传感器的功耗。有研究表明，一维氧化钨纳米结构与传统的氧化钨材料相比，其具有更大的比表面积，更大的表面活性以及更强的气体吸附能力，从而能加快与气体之间的反应，在进一步提高灵敏度的同时，对于降低工作温度具有重要意义。多孔硅是一种在硅片表面通过腐蚀形成的孔径尺寸、孔道深度和孔隙率可调的多孔性疏松结构材料，室温下即具有很高的表面活性，可检测no2、nh3、h2s及多种有机气体，且制作工艺易与微电子工艺技术兼容。但是多孔硅也存在灵敏度相对较低的缺点，在一定程度上制约了实际应用。近年来，有些学者致力于一维金属氧化物气敏材料的研究，开发出一些气敏元件，由于其工作温度较高(高于200° C)，严重制约了其在实际生产生活中的应用。本专利技术采用热退火薄膜的方法利用水平管式炉将具有室温特性的多孔硅与一维氧化钨纳米结构复合形成新的复合结构气敏材料，其具有巨大的比表面积以及大的表面活性，提供了大量的气体吸附位置和扩散通道，克服了当前基于一维氧化钨纳米结构气敏材料工作温度较高的缺陷，开发出一种在较低温度(150° C)具有较高灵敏度和较快响应/恢复速率的纳米复合结构气敏传感器元件。
技术实现思路
本专利技术的目的，是克服现有一维氧化钨纳米结构气敏传感器工作温度较高(200° C以上)的不足，结合有序多孔硅能够室温探测以及能够为气体提供有效通道的优势，提供一种结构新颖、制作工艺简单的新型低温(150° C)检测氮氧化物的多孔硅基一维氧化钨纳米结构气敏元件的制备方法。本专利技术通过如下技术方案予以实现。，具有如下步骤:(I)清洗硅基片衬底将P型、单面抛光、电阻率为10?15 Ω *cm的单晶硅基片依次经过浓硫酸与过氧化氢混合溶液浸泡30?50分钟、氢氟酸水溶液浸泡20?40分钟、丙酮溶剂超声清洗5?15分钟、无水乙醇超声清洗5-15分钟、去离子水中超声清洗5?15分钟，以除去表面油污、有机物杂质以及表面氧化层；(2)制备多孔硅基底层采用双槽电化学腐蚀法在步骤(I)清洗过的硅基片衬底抛光表面制备多孔硅层，所用腐蚀电解液由质量分数40%的氢氟酸与质量分数40%的二甲基甲酰胺组成，其体积比为1:2 ;不添加表面活性剂和附加光照，施加的腐蚀电流密度为50?120mA/cm2，腐蚀时间为 5 ?20min ；(3)制备多孔硅层与钨薄膜复合结构将步骤(2)制得的多孔硅基底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用金属钨作为靶材，以氩气作为工作气体，氩气气体流量为30?50sCCm，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率80?100W，溅射时间15?30min，基片温度为室温，在多孔硅表面沉积金属钨薄膜，制备出钨薄膜与多孔硅复合结构；(4)制备多孔硅层与氧化钨纳米线复合结构将步骤(3)制备的金属钨薄膜与多孔硅复合结构置于水平管式炉中，利用热退火的方法，以氩气作为工作气体，氧气作为反应气体，气体流量分别控制为30?40SCCm和0.05?0.1sccm,退火温度为600?750度，保温时间为50?80min，本体真空度为I?5Pa，工作压强为120?200Pa ；(5)制备低温检测氮氧化物气敏元件将步骤(4)制得的多孔硅与氧化钨纳米线复合结构置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，米用金属钼作为祀材，以IS气作为工作气体，IS气气体流量为20?25sccm,溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率80?90W，溅射时间8?12min，基片温度为室温，在多孔硅与氧化钨纳米线复合结构表面沉积钼电极，制得低温检测氮氧化物气敏元件。所述步骤(2)制备的多孔硅平均孔径I?2 μ m，厚度为8?15 μ m，孔隙率为35?45%。所述步骤(3)采用的金属钨靶材为质量纯度99.95%，以质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，本底真空度4?6X 10_4Pa，采用射频磁控溅射法制备的钨薄膜厚度100?200nmo所述步骤⑷制备的氧化钨纳米线直径为20?40nm，长度为I?2 μ m，氧化钨纳米线贯穿或分布在多孔硅基底的孔道内部或者表面。所述步骤(5)采用的金属钼靶材为质量纯度99.95%，以质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，本底真空度4?6X 10_4Pa，采用射频磁控溅射法制备的钼薄膜厚度50?IOOnm0所述步骤(3)的采用的水平管式炉为GSL-1400X管式炉。所述步骤(4)、步骤(5)的超高真空对靶磁控溅射设备的真空室为DPS-1II型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室。与已有技术相比较，本专利技术显著提高了复合结构敏感材料气敏传感器的比表面积，将高灵敏度与良好的响应恢复特性有机的结合起来，提供了一种可在低温(150° C)且对低浓度NOx气体具有高灵敏度、高选择性以及良好响应恢复特性的基于多孔硅与氧化钨纳米线复合结构气敏元件的制备方法。【专利附图】【附图说明】图1是实施例1的多孔硅与金属钨薄膜复合结构的扫描电子显微镜照片；图2是实施例1的多孔硅与氧化钨纳米线复合结构的表面扫描电子显微镜照片；图3是实施例1的多孔硅与氧化钨纳米线复合结构的断面扫描电子显微镜照片；图4是实施例1的低温检测氮氧化物气敏元件在不同温度条件下对2ppm NO2气体的灵敏度曲线图；图5是实施例1的低温检测氮氧化物气敏元件在150° C条件下对0.25?2ppmNO2气体的动态响应曲线图；【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术所用原料均采用市售化学纯试剂。实施例1I)清洗硅基片衬底将电阻率为10 Ω.cm、厚度为400 μ m、(100)晶向的2寸p型单面抛光的单晶硅片，切割成尺寸为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温检测氮氧化物气敏元件的制备方法，具有如下步骤：（1）清洗硅基片衬底将p型、单面抛光、电阻率为10～15Ω·cm的单晶硅基片依次经过浓硫酸与过氧化氢混合溶液浸泡30～50分钟、氢氟酸水溶液浸泡20～40分钟、丙酮溶剂超声清洗5～15分钟、无水乙醇超声清洗5?15分钟、去离子水中超声清洗5～15分钟，以除去表面油污、有机物杂质以及表面氧化层；（2）制备多孔硅基底层采用双槽电化学腐蚀法在步骤（1）清洗过的硅基片衬底抛光表面制备多孔硅层，所用腐蚀电解液由质量分数40%的氢氟酸与质量分数40%的二甲基甲酰胺组成，其体积比为1：2；不添加表面活性剂和附加光照，施加的腐蚀电流密度为50～120mA/cm2，腐蚀时间为5～20min；（3）制备多孔硅层与钨薄膜复合结构将步骤(2)制得的多孔硅基底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用金属钨作为靶材，以氩气作为工作气体，氩气气体流量为30～50sccm，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率80～100W，溅射时间15～30min，基片温度为室温，在多孔硅表面沉积金属钨薄膜，制备出钨薄膜与多孔硅复合结构；（4）制备多孔硅层与氧化钨纳米线复合结构将步骤(3)制备的金属钨薄膜与多孔硅复合结构置于水平管式炉中，利用热退火的方法，以氩气作为工作气体，氧气作为反应气体，气体流量分别控制为30～40sccm和0.05～0.1sccm，退火温度为600～750度，保温时间为50～80min，本体真空度为1～5Pa，工作压强为120～200Pa；（5）制备低温检测氮氧化物气敏元件将步骤(4)制得的多孔硅与氧化钨纳米线复合结构置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用金属铂作为靶材，以氩气作为工作气体，氩气气体流量为20～25sccm，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率80～90W，溅射时间8～12min，基片温度为室温，在多孔硅与氧化钨纳米线复合结构表面沉积铂电极，制得低温检测氮氧化物气敏元件。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡明，马双云，崔珍珍，李明达，曾鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：