一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器及其製備方法和應用的製作方法
2023-04-25 18:08:51 1
專利名稱：一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米傳感器技術領域，特別涉及一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器及其製備方法和應用。
背景技術：
隨著人類文明的進步，人類健康意識、私人財務安全意識、環境保護意識也相應的提高，為了更好的幫助人們實現在這些方面的需求，各類傳感器的研究作為一種重要的實現手段引起了全世界這一領域科學家的極大興趣。在短短的幾十年內，幾百種具有不同功能的傳感器相應問世，它們的不斷進步與發展使得物理學、化學、生物學、醫學、環境學等各學科間的聯繫更加密不可分。
眾所周知，只要一種器件，它能夠檢測或者確定某種特殊的現象，我們就把它統稱為傳感器。根據用途來劃分的話，它們不外乎三種類型化學傳感器、物理傳感器和微分析傳感器系統。而所有的這些傳感器基本上都是由傳感層和傳送裝置構成。在化學傳感器中的一個較為活躍的分支就是氣敏傳感器，而判定氣敏傳感器性能的三大指標就是靈敏度、選擇性和穩定性。其中，靈敏度作為相對比較重要的檢測指標直接決定的氣敏傳感器的性能及相應使用領域。一般來講，大多數氣敏傳感器都是用來檢測微型信息及微型靈敏度，只有少部分氣敏傳感器用於檢測特定環境下的較為宏觀性信息即宏觀靈敏度。在專門用來檢測微型信息的氣敏傳感器領域中，提高器件對微弱信息的捕獲程度即微型靈敏度很大程度上靠傳感層材料的比表面特性來決定。到目前為止，氣敏傳感器的傳感層部分的製備材料基本上可分為體材料，膜材料，納米線或納米帶等材料。根據理論計算，納米材料的比表面特性要好過於體材料和膜材料，而納米材料中，納米草葉材料的比表面特性要優越於納米線或納米帶材料。但納米草葉材料至今還未報導過集成於氣敏傳感器上以實現氣敏功能；並且，用其他材料製備的氣敏傳感器的製備方法複雜，製備條件相對苛刻。
發明內容
為了解決上述現有技術存在的不足之處，本發明的首要目的在於提供一種製備工藝簡單、應用範圍較廣的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。
本發明的另一目的在於提供一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法。本發明首先利用微加工方法製備梳狀交叉電極；利用熱蒸發法在制好的梳狀交叉電極上合成二氧化錫納米草葉，具有操作簡單，成本低廉，耗時少，適合大批量生產的優點。
本發明的再一目的在於提供上述二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的應用。
本發明的目的通過下述技術方案實現一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器，所述傳感器自下往上依次為矽片、二氧化矽絕緣層膜、梳狀交叉電極和二氧化錫納米草葉氣敏傳感層；所述梳狀交叉電極之間的距離是100～300nm；二氧化錫納米草葉氣敏傳感層具有較高的比表面特性，所述二氧化錫納米草葉氣敏傳感層的納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。
為了更好地實現本發明，所述矽片面積為1×1～6×6mm2；所述二氧化矽絕緣層膜的厚度為0.5～1.5μm；所述梳狀交叉電極為30～80nm的鎘膜和60～200nm的金膜組成，鎘膜之上為金膜。
上述二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法，包括如下步驟(1)微加工方法製備梳狀交叉電極在純淨矽片上氧化一層二氧化矽薄膜作為絕緣層，在該絕緣層上均勻地塗一層光刻膠，將列印有梳狀交叉電極圖樣的模板固定在塗了光刻膠的二氧化矽絕緣層上，經曝光處理後交叉電極位置處的光刻膠剝落，取下模板，用磁空濺射技術在經曝光處理後的二氧化矽絕緣層上鍍一層鎘膜，在這層鎘膜的上面再用蒸鍍的方法鍍一層金膜，把經上述方法製備的矽片放入酒精中浸泡，直至剩餘的覆蓋有鎘膜和金膜的光刻膠剝落乾淨為止，取出矽片，烘乾，形成梳狀交叉電極。
(2)用熱蒸發法在梳狀交叉電極上面生長二氧化錫納米草葉在一個耐高溫內管中放入反應源，並在耐高溫內管中離反應源0.5～2.0cm的地方放置梳狀交叉電極作為襯底，將梳狀交叉電極置於耐高溫材料上，然後把耐高溫內管放入耐高溫外管的內部，把耐高溫外管放入加熱爐中，然後加熱爐抽真空，加熱爐抽真空時間為15～60分鐘，再通入惰性氣體，使爐內真空度為100～400Torr(1Torr＝1/760標準大氣壓＝133Pa)，使爐溫上升到900～1000℃，並保溫900～1000℃持續5～30分鐘，停止加熱，使爐溫冷卻至室溫，即製得二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。
為了更好地實現本發明，所述矽片面積為1×1～6×6mm2；所述矽片表面的二氧化矽絕緣層厚度為0.5～1.5μm；所述梳狀交叉電極為30～80nm的鎘膜和60～200nm的金膜組成，鎘膜之上為金膜；所述梳狀交叉電極之間的距離是100～300nm；所述二氧化錫納米草葉氣敏傳感層的納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。
所述反應源為二氧化錫和石墨的混合物粉末，二氧化錫與石墨質量比為4∶1；所述耐高溫內管的內徑為1～3cm，耐高溫外管的內徑為5～10cm；所述耐高溫材料為陶瓷片；所述耐高溫內管和耐高溫外管均可為石英管。所述加熱爐的熱偶位置與反應源所處的位置在一豎直直線上，所述惰性氣體的流量為250～500sccm(每分鐘標準毫升)；所述惰性氣體可以為氬氣、氦氣、氖氣、氪氣或氙氣等。
由上述方法製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器可廣泛應用於環境氣體檢測(包括ppm量級濃度的H2、CO、甲烷、乙醇、一氧化氮、二氧化氮等氣體)領域。
本發明與現有技術相比具有如下優點和有益效果(1)本發明的傳感層部分是由比表面特性尤其顯著的二氧化錫納米草葉構成，納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。如圖8所示為膜材料、納米線材料傳感層部分有關比表面特性的對比示意圖。其中，設定膜材料厚度為8微米，納米線材料、納米草葉的參考層厚度也均為8微米，納米線的尺度為200納米，納米草葉的尺度為300納米，厚度為10納米，比表面積為圖8中參考層的表面積與其體積之比。經理論計算，膜材料、納米線材料、納米草葉材料的比表面積之比為1∶80∶700，因此，本發明與其他傳感器相比靈敏度具有顯著的提高。
(2)本發明的梳狀交叉電極部分是用一層30～80納米的鎘膜和60～100納米的金膜構成，與用鉑作為電極的傳感器相比，大大降低了生產成本。
(3)本發明的梳狀交叉電極之間的距離是100～300納米，與其他的電極間距為微米量級的傳感器相比，傳感層部分的導通效果會更好，便於器件實現大電流，低功耗。
(4)本發明首次利用熱蒸發法在梳狀交叉電極上合成二氧化錫納米草葉，該方法操作簡單可靠，成本低廉，耗時少，便於集成。
(5)本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的面積大約為1×1～6×6mm2，厚度大約有1.5～3mm，在器件集成中足以減小相應體積，便於實現多功能、小體積器件集成的目標。
圖1為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的梳狀交叉電極時所用的模板示意圖。
圖2為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的結構示意圖。
圖3為本發明用熱蒸發法製備二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的裝置圖。
圖4為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的場發射電境照片。
圖5為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的X射線衍射分析圖譜。
圖6為發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的光致發光分析圖譜。
圖7為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的拉曼圖譜。
圖8為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分與目前膜材料、納米線材料傳感層部分有關比表面特性的對比示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1在透明膠片上列印出設計好的梳狀交叉電極圖樣的模板(如圖1所示)，梳狀交叉電極之間的距離為200nm，在一片1×1mm2的純淨矽片(如圖2所示)21上氧化一層二氧化矽薄膜22作為絕緣層，絕緣層厚度大約為0.5μm左右，在這層絕緣層上塗一層光刻膠，把列印有梳狀交叉電極圖樣的模板(如圖1所示)固定在製作好的二氧化矽絕緣層22上，經曝光處理後交叉電極位置處的光刻膠剝落，取下模板，用磁空濺射技術在經曝光處理後的二氧化矽絕緣層22上鍍一層厚為30nm的鎘膜，在這層鎘膜的上面再用蒸鍍的方法鍍純度為99.999％的金膜60nm左右，把經以上方法製備的矽片21放入酒精中浸泡，直至剩餘的覆蓋有鎘膜和金膜的光刻膠剝落乾淨為止，取出矽片21，烘乾，形成梳狀交叉電極23，24為在梳狀交叉電極上生長的二氧化錫納米草葉部分，25為在梳狀交叉電極上生長的二氧化錫納米草葉部分經電子顯微鏡放大後的納米草葉形貌示意圖；如圖3所示(其中4為加熱部件，8是表面已製備交叉電極的矽片)，在一個一端開口的內徑為1cm的小石英管(耐高溫內管)7中放入二氧化錫和石墨的混合物粉末6(二氧化錫和石墨的質量比為4∶1)作為反應源，這些反應源附近放置陶瓷片9，在陶瓷片9上離反應源0.5cm的地方放置製備好梳狀交叉電極的矽片作為襯底，然後把這個小石英管(耐高溫內管)7放入內徑為5cm的大石英管(耐高溫外管)3的內部，接下來把這個大石英管(耐高溫外管)3放入加熱爐2中，使加熱爐2的熱電偶1(熱偶位置)與反應源所處的位置在一豎直直線上。整個系統(即加熱爐2)開始抽真空15分鐘，通入氬氣5為250sccm，使爐內真空度達到100Torr，使爐溫(熱電偶處溫度)從室溫(25℃)迅速上升到900℃，保溫900℃為5分鐘後，停止加熱，使爐溫自然冷卻至室溫(25℃)，拿出襯底，經場發射電子顯微鏡放大觀察到襯底上的梳狀交叉電極上有二氧化錫納米草葉生成，即製得二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。
如圖4所示，為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的場發射電境照片。整個二氧化納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。
如圖5、圖6、圖7所示，分別為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分的X射線衍射分析圖譜、光致發光分析圖譜及在常溫下(25℃)的拉曼圖譜。根據這三種測試手段，可以確認這層納米草葉傳感層是二氧化錫材料。
圖8為本發明製備的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器傳感層部分與目前膜材料、納米線材料傳感層部分有關比表面特性的對比示意圖。膜材料、納米線材料和納米草葉材料的比表面特性之比為1∶80∶700。
實施例2在透明膠片上列印出設計好的梳狀交叉電極圖樣的模板(如圖1所示)，梳狀交叉電極之間的距離為300nm，在一片3×3mm2的純淨矽片(如圖2所示)21上氧化一層二氧化矽薄膜22作為絕緣層，絕緣層厚度大約為1μm左右，在這層絕緣層上塗一層光刻膠，把列印有交叉電極圖樣的模板(如圖1所示)固定在製作好的二氧化矽絕緣層22上，經曝光處理後交叉電極位置處的光刻膠剝落，取下模板，用磁空濺射技術在經曝光處理後的二氧化矽絕緣層22上鍍一層厚為60nm的鎘膜，在這層鎘膜的上面再用蒸鍍的方法鍍純度為99.999％的金膜80nm左右，把用以上方法製備的矽片21放入酒精中浸泡，直至剩餘的覆蓋有鎘膜和金膜的光刻膠剝落乾淨為止，取出矽片21，烘乾，形成梳狀交叉電極23，24為在梳狀交叉電極上生長的二氧化錫納米草葉部分，25為在梳狀交叉電極上生長的二氧化錫納米草葉部分經電子顯微鏡放大後的納米草葉形貌示意圖；如圖3所示(其中4為加熱部件)，在一個一端開口的內徑為2cm的小石英管(耐高溫內管)7中放入二氧化錫和石墨的混合物粉末6(二氧化錫和石墨的質量比為4∶1)作為反應源，這些反應源附近放置陶瓷片9，在這種陶瓷片9上離反應源1.0cm的地方放置製備好梳狀交叉電極的矽片作為襯底，然後把這個小石英管(耐高溫內管)7放入內徑為8cm的大石英管(耐高溫外管)3的內部，接下來把這個大石英管(耐高溫外管)3放入加熱爐2中，使加熱爐2的熱電偶1(熱偶位置)與反應源所處的位置在一豎直直線上。整個系統(即加熱爐2)開始抽真空45分鐘，通入氖氣5為400sccm，使爐內真空度達到250Torr，使爐溫(熱電偶處溫度)從室溫(25℃)迅速上升到950℃，保溫950℃為20分鐘後，停止加熱，使爐溫自然冷卻至室溫(25℃)，拿出襯底，經場發射電子顯微鏡放大觀察到襯底上的梳狀交叉電極上有二氧化錫納米草葉生成，即製得二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。
實施例3在透明膠片上列印出設計好的梳狀交叉電極圖樣模板(如圖1所示)，梳狀交叉電極之間的距離為400nm，在一片6×6mm2的純淨矽片(如圖2所示)21上氧化一層二氧化矽薄膜22作為絕緣層，絕緣層厚度大約為1.5μm左右，在這層絕緣層上塗一層光刻膠，把列印有交叉電極圖樣的模板(如圖1所示)固定在製作好的二氧化矽絕緣層22上，經曝光處理後交叉電極位置處的光刻膠剝落，取下模板，用磁空濺射技術在經曝光處理後的二氧化矽絕緣層22上鍍一層厚為80nm的鎘膜，在這層鎘膜的上面再用蒸鍍的方法鍍純度為99.999％的金膜100nm左右，把用以上方法製備的矽片21放入丙酮中浸泡，直至剩餘的覆蓋有鎘膜和金膜的光刻膠剝落乾淨為止，取出矽片21，烘乾，會發現梳狀交叉電極23形成，24為在梳狀交叉電極上生長的二氧化錫納米草葉部分，25為在梳狀交叉電極上生長的二氧化錫納米草葉部分經電子顯微鏡放大後的納米草葉形貌示意圖；如圖3所示(其中4為加熱部件)，在一個一端開口的內徑為3cm的小石英管(耐高溫內管)7中放入二氧化錫和石墨的混合物粉末6(二氧化錫和石墨的質量比為4∶1)作為反應源，這些反應源附近放置陶瓷片9，在這種陶瓷片9上離反應源2cm的地方放置製備好梳狀交叉電極的矽片作為襯底，然後把這個小石英管(耐高溫內管)7放入內徑為10cm的大石英管(耐高溫外管)3的內部，接下來把這個大石英管(耐高溫外管)3放入加熱爐2中，使加熱爐2的熱電偶1(熱偶位置)與反應源所處的位置在一豎直直線上。整個系統(即加熱爐2)開始抽真空60分鐘，通入氦氣5為500sccm，使爐內真空度達到400Torr，使爐溫(熱電偶處溫度)從室溫(25℃)迅速上升到1000℃，保溫1000℃為30分鐘後，停止加熱，使爐溫自然冷卻至室溫(25℃)，拿出襯底，經場發射電子顯微鏡放大觀察到襯底上的梳狀交叉電極上有二氧化錫納米草葉生成，即製得二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器，其特徵在於所述傳感器自下往上依次為矽片、二氧化矽絕緣層膜、梳狀交叉電極和二氧化錫納米草葉氣敏傳感層；所述梳狀交叉電極之間的距離是100～300nm；所述二氧化錫納米草葉氣敏傳感層的納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。
2.根據權利要求1所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器，其特徵在於所述矽片面積為1×1～6×6mm2。
3.根據權利要求1所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器，其特徵在於所述二氧化矽絕緣層膜的厚度為0.5～1.5μm。
4.根據權利要求1所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器，其特徵在於所述梳狀交叉電極為30～80nm的鎘膜和60～200nm的金膜組成，鎘膜之上為金膜。
5.一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於包括如下步驟(1)微加工方法製備梳狀交叉電極在純淨矽片上氧化一層二氧化矽薄膜作為絕緣層，在該絕緣層上均勻地塗一層光刻膠，將列印有梳狀交叉電極圖樣的模板固定在塗了光刻膠的二氧化矽絕緣層上，經曝光處理後交叉電極位置處的光刻膠剝落，取下模板，用磁空濺射技術在經曝光處理後的二氧化矽絕緣層上鍍一層鎘膜，在這層鎘膜的上面再用蒸鍍的方法鍍金膜，把經上述方法製備的矽片放入酒精中浸泡，直至剩餘的覆蓋有鎘膜和金膜的光刻膠剝落乾淨為止，取出矽片，烘乾，形成梳狀交叉電極；(2)用熱蒸發法在梳狀交叉電極上面生長二氧化錫納米草葉在一個耐高溫內管中放入反應源，並在耐高溫內管中離反應源0.5～2.0cm的地方放置梳狀交叉電極作為襯底，將梳狀交叉電極置於耐高溫材料上，然後把耐高溫內管放入耐高溫外管的內部，把耐高溫外管放入加熱爐中，然後加熱爐抽真空，抽真空時間為15～60分鐘，再通入惰性氣體，使爐內真空度為100～400Torr，使爐溫上升到900～1000℃，並保溫900～1000℃持續5～30分鐘，停止加熱，使爐溫冷卻至室溫，即製得二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。
6.根據權利要求5所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於所述矽片面積為1×1～6×6mm2；所述二氧化矽絕緣層厚度為0.5～1.5μm；所述梳狀交叉電極為30～80nm的鎘膜和60～200nm的金膜組成，鎘膜之上為金膜；所述梳狀交叉電極之間的距離是100～300nm；所述二氧化錫納米草葉氣敏傳感層的納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。
7.根據權利要求6所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於所述反應源為二氧化錫和石墨的混合物粉末；二氧化錫與石墨質量比為4∶1。
8.根據權利要求5所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於所述耐高溫內管的內徑為1～3cm，耐高溫外管的內徑為5～10cm；所述耐高溫材料為陶瓷片；所述耐高溫內管和耐高溫外管為石英管。
9.根據權利要求5所述的一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器的製備方法，其特徵在於所述惰性氣體為氬氣、氦氣、氖氣、氮氣或氙氣；所述惰性氣體的流量為250～500sccm。
10.權利要求1所述的二氧化錫納米草葉氣敏傳感器在環境氣體檢測領域中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種二氧化錫納米草葉氣敏傳感器及其製備方法和應用，該傳感器的結構自下往上依次為矽片、二氧化矽絕緣層膜、梳狀交叉電極和二氧化錫納米草葉氣敏傳感層，梳狀交叉電極之間的距離是100～300nm；二氧化錫納米草葉氣敏傳感層的納米草葉的尺度為100～1000納米，厚度為10～30納米，長度達30～50微米。該製備方法首先利用微加工方法製備梳狀交叉電極；然後利用熱蒸發法在制好的梳狀交叉電極上合成二氧化錫納米草葉，即製得二氧化錫納米草葉氣敏傳感器。本發明可在環境氣體檢測領域中應用。本發明製備工藝簡單，成本低廉，可實現大批量集成化生產。
文檔編號G01N27/12GK1967231SQ20061012361
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月17日 優先權日2006年11月17日
發明者楊國偉, 王冰, 楊玉華 申請人:中山大學