一種用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器及其製備的製作方法

2023-07-06 16:40:51 1

專利名稱：一種用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器及其製備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體傳感器，特別是一種用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器及 其製備。
背景技術：
氣體傳感器被廣泛用作在線監測工作場所中的有害氣體，如一氧化碳、甲烷、二氧 化硫、氮氧化物和醛類等。近年來，由於在工業生產、家庭安全、環境監測和醫療等領域對氣 體傳感器的精度、性能和穩定性方面的要求越來越高，對新型氣體傳感器的研究和開發也 越來越重要。場效應場效應管氣體傳感器作為傳感器的一個重要分支，集氣體傳感器高靈 敏度、高選擇性和薄膜場效應管器件易於集成化、微型化等優點於一體，使它在智能化、在 線、實時以至在體分析等方面具有較大的優勢。1975年，I. Lundstr^m首先研製出氣敏場效應管，他在場效應管的絕緣柵上蒸鍍 一層鈀膜作為柵電極，利用鈀材料的催化特性實現對空氣中的微量氫氣的檢測。此後，有關 鈀、鉬和聚合物等柵MOS場效應型氣體傳感器的報導相繼出現。隨著對器件結構參數和特 性研究的深入，無機場效應型氣敏傳感器的質量有了很大提高。專利ZL961(^646. 4公開了 一種檢測二氧化氮的LB膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器及其製作方法。該發明設計了 一種用單分子膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器，膜修飾於整個管芯，從而達到氣體傳感 器常溫下工作，靈敏度較高、選擇性好、可以檢測較低濃度氣體的目的。儘管傳統的無機MOS場效應型氣體傳感器靈敏度高，但存在著製作工藝複雜，制 作周期長和成本很高等不利的因素。

發明內容
本發明目的在於提供一種工藝簡單，縮短製備周期，並具有優異性能的用於檢測 二氧化氮氣體的氣體傳感器及其製備。為實現上述目的本發明採用的技術方案為—種用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極5和 漏電極6組成，其特徵在於柵絕緣層2上設表面修飾層3和功能層4 ；源電極5和漏電極 6分別連接於功能層4，功能層4以η型有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物為原料；功 能層4厚度達到150-300納米。所述η型有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物為1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，
17，18，22，23，Μ，25-氟取代酞菁銅。所述表面修飾層以十二烷基三氯矽烷為原料。所述柵 絕緣層採用氧化矽。所述柵電極為高摻雜矽柵電極。所述高摻雜矽柵電極為高摻雜P型矽 柵電極或高摻雜η型矽柵電極。所述源電極為鈣；漏電極為金。氣體傳感器的製備方法首先將表面處理後塗有絕緣層的柵極進行清洗，其次將 十二烷基三氯矽覆於其上進行修飾，再次在10-4 的真空條件下將η型有機半導體材料氟 取代酞菁金屬化合物作為功能層蒸鍍於修飾後的絕緣層，最後在10-4 的真空條件下分別蒸鍍源電機和漏電極。。所述蒸鍍有源層時速度在0. 1-0. 2納米/秒，蒸鍍有源層厚度達到150-300納 米；所述蒸鍍源電機和漏電極時速度在0. 5-0. 8納米/秒，源電機為鈣，蒸鍍鈣厚度達到 100-300納米，漏電極為金，蒸鍍金厚度達到100-300納米。在所述高摻雜矽柵電極上直接 氧化得到350-600納米厚的氧化矽柵絕緣層。原理有機薄膜場效應管氣體傳感器以功能層的導電聚合物為氣敏材料，在工作 時氣體傳感器吸附的氣體與高分子半導體之間產生電子授受關係，通過檢測相互作用導致 器件飽和源漏電流的變化(或功能層導電聚合物材料的場效應遷移率的變化)化而得知檢 測氣體分子存在的信息。本發明所具有的優點本發明是結合當前半導體工業的主流技術，在矽襯底上，利 用有機半導體材料取代無機半導體材料作為器件的功能層，製備了底柵頂接觸結構的有機 場效應管氣體傳感器。器件的測試範圍為0-500ppm，響應時間小於60秒。在靈敏度和響應 速度主要性能均達到目前市場上無機產品的同時，該二氧化氮氣體傳感器在製作工藝上也 大為簡化，只需將修飾好的基片採用一次性真空蒸鍍的方法製備器件的功能層和源漏電極 即完成了整個器件的製作，製備條件溫和，製作周期縮短。


圖1為本發明氣體傳感器示意圖(其中1是柵極，2是絕緣層，3是絕緣層表面修 飾層，4是功能層，5是源電極，6是漏電極)。。圖2為本發明氣體傳感器器件暴露在不同濃度的二氧化氮氣體中飽和源漏電流 的變化曲線。
具體實施例方式實施例1氣體傳感器(參見圖1)，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極5和漏電極6組成，柵 絕緣層2上設表面修飾層3和功能層4 ；源電極5和漏電極6分別連接於功能層4，功能層 4以η型有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物為原料；功能層4厚度達到150-300納米。所述η型有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物為1，2，3，4，8，9，10，11，15，16， 17，18，22，23，24，25-氟取代酞菁銅。採用高平整度(小於2納米)的高摻雜ρ型矽晶片作為襯底兼作柵極，在矽片上 直接氧化得到350納米厚氧化矽作為柵絕緣膜；而後利用 H2O2 = 5 1的酸性液 清洗矽片，用超純水衝洗後，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 2 1的鹼性液清洗，再用乙醇 超聲3-5分鐘，乾燥後，將矽片放入十二烷基三氯矽烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液 中，室溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然後，在的超高真 空條件下蒸鍍功能層1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-氟取代酞菁銅，速 率在0. 1納米/秒，功能層膜厚為150納米；最後在10_4Pa的超高真空條件下分別蒸鍍120 納米厚的鈣作為源電極和120納米厚的金作為漏電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納米/秒；即得 氣體傳感器。將所得氣體傳感器暴露在不同濃度二氧化氮氣體中(參見圖2)，氣體分子吸附在氟取代酞菁銅敏感膜表面，電子從氟取代酞菁銅分子轉移到缺電子的二氧化氮氣體分子 上，致使η型半導體材料內的電子載流子數目下降，器件的源漏電流值降低。隨著時間的 延長，氟取代酞菁銅薄膜吸附的氣體量越多，其電子減少的數目增加，器件的源漏電流值越 低。由圖2可知，器件對0-150ppm 二氧化氮氣體具有良好的靈敏度。實施例2採用高平整度(小於2納米)的高摻雜η型矽晶片作為襯底兼作柵極，在矽片上 直接氧化得到400納米厚氧化矽作為柵絕緣膜；而後利用 H2O2 = 4 1的酸性液 清洗矽片，用超純水衝洗後，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 1 1的鹼性液清洗，再用乙醇 超聲3-5分鐘，乾燥後，將矽片放入十二烷基三氯矽烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液 中，室溫下靜放對小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然後，在的超高 真空條件下蒸鍍功能層氟代酞菁銅材料，氟代酞菁銅為1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18， 22，23，24, 25-氟取代酞菁銅，速率在0. 2納米/秒，功能層膜厚為200納米；最後分別蒸鍍 200納米厚的鈣作為源電極和200納米厚的金作為漏電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納米/秒； 即得氣體傳感器。實施例3採用高平整度(小於2納米)的高摻雜η型矽晶片作為襯底兼作柵極，在矽片上直 接氧化得到500納米厚氧化矽作為柵絕緣膜；而後利用 H2O2 = 4 1的酸性液清洗 矽片，用超純水衝洗後，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 2 1的鹼性液清洗，再用乙醇超聲 3-5分鐘，乾燥後，將矽片放入十二烷基三氯矽烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液中，室 溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然後，在10_4Pa的超高真空條 件下蒸鍍功能層氟代酞菁銅材料，氟代酞菁銅為1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23， 24, 25-氟取代酞菁銅，速率在0. 2納米/秒，功能層膜厚為280納米；最後按照常規方法，分 別蒸鍍160納米厚的鈣作為源電極和160納米厚的金作為漏電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納 米/秒；即得氣體傳感器。實施例4採用高平整度(小於2納米)的高摻雜η型矽晶片作為襯底兼作柵極，在矽片上直 接氧化得到600納米厚氧化矽作為柵絕緣膜；而後利用 H2O2 = 5 1的酸性液清洗 矽片，用超純水衝洗後，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 1 1的鹼性液清洗，再用乙醇超聲 3-5分鐘，乾燥後，將矽片放入十二烷基三氯矽烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液中，室 溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然後，在10_4Pa的超高真空條 件下蒸鍍功能層氟代酞菁銅材料，氟代酞菁銅為1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23， 24, 25-氟取代酞菁銅，速率在0. 2納米/秒，功能層膜厚為260納米；最後按照常規方法，分 別蒸鍍180納米厚的鈣作為源電極和180納米厚的金作為漏電極，蒸鍍速率為0. 5-0. 8納 米/秒；即得氣體傳感器。
權利要求
1.一種用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，包括柵電極(1)、柵絕緣層O)、源電極 (5)和漏電極(6)組成，其特徵在於柵絕緣層( 上設表面修飾層C3)和功能層；源電 極(5)和漏電極(6)分別連接於功能層G)，功能層(4)以η型有機半導體材料氟取代酞菁 金屬化合物為原料；功能層(4)厚度達到150-300納米。
2.按權利要求1所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，其特徵在於所述η型 有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物為1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24， 25-氟取代酞菁銅。
3.按權利要求1所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，其特徵在於所述表面 修飾層以十二烷基三氯矽烷為原料。
4.按權利要求1所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，其特徵在於所述柵絕 緣層採用氧化矽。
5.按權利要求1所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，其特徵在於所述柵電 極為高摻雜矽柵電極。
6.按權利要求5所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，其特徵在於所述高摻 雜矽柵電極為高摻雜P型矽柵電極或高摻雜η型矽柵電極。
7.按權利要求1所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器，其特徵在於所述源電 極為鈣；漏電極為金。
8.一種按權利要求1所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器的製備方法，其特徵 在於首先將表面處理後塗有絕緣層的柵極進行清洗，其次將十二烷基三氯矽覆於其上進 行修飾，再次在10-4 的真空條件下將η型有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物作為功 能層蒸鍍於修飾後的絕緣層，最後在10-4 的真空條件下分別蒸鍍源電機和漏電極。。
9.按權利要求8所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器的製備方法，其特徵在 於所述蒸鍍有源層時速度在0. 1-0. 2納米/秒，蒸鍍有源層厚度達到150-300納米；所述 蒸鍍源電機和漏電極時速度在0. 5-0. 8納米/秒，源電機為鈣，蒸鍍鈣厚度達到100-300納 米，漏電極為金，蒸鍍金厚度達到100-300納米。
10.按權利要求8所述的用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器的製備方法，其特徵在 於在所述高摻雜矽柵電極上直接氧化得到350-600納米厚的氧化矽柵絕緣層。
全文摘要
本發明涉及一種氣體傳感器，特別是一種用於檢測二氧化氮氣體的氣體傳感器及其製備。柵絕緣層上設表面修飾層和功能層；源電極和漏電極分別連接於功能層，功能層以n型有機半導體材料氟取代酞菁金屬化合物為原料。本發明利用有機半導體材料取代無機半導體材料作為器件的功能層，在靈敏度和響應速度主要性能均達到目前市場上無機產品的同時，該二氧化氮氣體傳感器在製作工藝上也大為簡化，只需將修飾好的基片採用一次性真空蒸鍍的方法製備器件的功能層和源漏電極即完成了整個器件的製作，製備條件溫和，製作周期縮短。
文檔編號H01L51/05GK102103102SQ20091025570
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者於順洋, 李琳娜, 許玉雲 申請人:煙臺海岸帶可持續發展研究所