氧化鋅納米結構氣體感測器及其製造方法
2023-06-16 07:15:41 1
專利名稱：氧化鋅納米結構氣體感測器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化鋅納米結構氣體感測器及其製造方法，特別涉及一種以多個氧化鋅納米結構與多個金屬納米粒子作為感測元件，而對於被測氣體具有高感測靈敏度及高可靠度的氣體感測器與其製造方法。
背景技術：
環境中存在許多對人體有害的氣體，如一氧化碳(CO)，該氣體具有無色無味的特性，因此人類無法通過嗅覺與視覺察覺該氣體的存在；一旦該氣體在環境中含量過高，便會對人體的健康造成傷害，輕者如頭痛、暈眩、反胃、抽筋、嘔吐，重者如休克、死亡。此外，化學工廠或實驗室常會進行產生易燃性或爆炸性氣體的化學反應，如乙炔(C2H2)、氫(H2)；—旦該氣體的含量過高，該氣體可能會引發燃燒或爆炸，導致該化學工廠或實驗室的作業人員受到傷害，甚至危害該作業人員的生命危險。因此，在環境中、化學工廠或實驗室中，使用氣體感測器偵測有害氣體、易燃性氣體或爆炸性氣體的含量極為重要，一旦這些氣體的含量過高，該氣體感測器便立即偵測並發出警示，避免災害的發生。常見的氣體感測器為傳統金屬氧化物半導體(Metal oxide semiconductor)氣體感測器，其以金屬氧化物半導體粉粒作為感測元件，如氧化錫(SnO2)粉粒、氧化鋅(SiO)粉粒。其偵測方式為該感測元件在一工作溫度(介於200°c至450°C)下，由被測氣體吸附於該感測元件的表面，造成該傳統金屬氧化物半導體氣體感測器的電阻發生變化，以偵測該被測氣體的含量；此外，因該金屬氧化物半導體粉粒存在體積大、表面積小的特性，以致該感測元件與該被測氣體的接觸面積小，進而導致該傳統金屬氧化物半導體氣體感測器具有感測靈敏度低的缺點；另外，由於該金屬氧化物半導體粉粒對於該被測氣體與非被測氣體的辨識度低，以致該傳統金屬氧化物半導體氣體感測器也存在著可靠度低的缺點。近年來，納米科技蓬勃地發展，科學家也研發出納米金屬氧化物半導體氣體感測器，該納米金屬氧化物半導體氣體感測器以納米金屬氧化物半導體作為其感測元件，其偵測方式與上述的傳統金屬氧化物半導體氣體感測器的偵測方式相同；其特色在於其感測元件為納米級材料，通過該納米級材料具有體積小、表面積大的特性，以增加其感測元件與被測氣體的接觸面積，進而改善上述的傳統金屬氧化物半導體氣體感測器感測靈敏度低的缺點；然而，該納米金屬氧化物半導體氣體感測器依然無法克服上述的傳統金屬氧化物半導體氣體感測器因為對於被測氣體與非被測氣體的辨識度低而導致可靠度低的缺點。有鑑於此，製造一種高感測靈敏度及高可靠度的氣體感測器，是本發明人及從事研發氣體感測器相關人士積極研發的方向。
發明內容
鑑於上述的傳統金屬氧化物半導體氣體感測器及納米金屬氧化物半導體氣體感測器的缺點，本發明的目的，在於提供一種氧化鋅納米結構氣體感測器，其通過多個金屬納米粒子具有對氣體黏滯性高及辨識度高的性質，提升該氧化鋅納米結構氣體感測器的感測靈敏度與可靠度。為了達到上述目的，本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器，其包括一基板；一晶種層，其位於該基板上；多個氧化鋅納米結構，其成長於該晶種層上；多個金屬納米粒子，其附著於該多個氧化鋅納米結構的表面；以及兩個金屬接觸層，其位於該多個氧化鋅納米結構上作為電性連接，該兩個金屬接觸層間具有一間距，不互相接觸。本發明的另一目的在於提供一種氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，其可用以製造一種感測靈敏度高及可靠度高的氧化鋅納米結構氣體感測器。為了達到上述目的，本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，其包括步驟A 在一基板上鍍上一晶種層；步驟B 在該晶種層上成長多個氧化鋅納米結構；步驟C 在該多個氧化鋅納米結構的表面附著多個金屬納米粒子；以及步驟D 在該多個氧化鋅納米結構上蒸鍍沉積兩個金屬接觸層作為電性連接，且該兩個金屬接觸層間具有一間距，不互相接觸。本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器，其利用該多個氧化鋅納米結構與該多個金屬納米粒子作為其感測元件，該感測元件除了具有體積小、表面積大的特性外，該感測元件的多個金屬納米粒子更具有對氣體黏滯性高的特性，由此提高該感測元件吸附被測氣體的能力，以提升該氧化鋅納米結構氣體感測器的感測靈敏度；此外，該多個金屬納米粒子對被測氣體的辨識度高，也可提高該氧化鋅納米結構氣體感測器的可靠度。
圖1為本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器的立體圖。圖2為本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器的立體拆解圖。圖3為本發明的氧化鋅納米結構與金屬納米粒子的立體圖。圖4為本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法的流程圖。圖5為本發明的實施例與比較實施例的溫度對感測靈敏度的關係圖。主要元件符號說明(11)基板(12)晶種層(13)氧化鋅納米結構(14)金屬納米粒子(15)金屬接觸層Ql)步驟 A(22)步驟 B(23)步驟 C(24)步驟 D
具體實施例方式參考圖1至圖3所示，本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器，包括一基板 11;一晶種層12，其位於該基板11上；多個氧化鋅納米結構13，其成長於該晶種層12上；多個金屬納米粒子14，其附著於該多個氧化鋅納米結構13的表面；以及兩個金屬接觸層15，其位於該多個氧化鋅納米結構13上作為電性連接，該兩個金屬接觸層15間具有一間距，不互相接觸。較佳地，該基板11為一絕緣材質，該基板11為藍寶石(Sapphire)、矽基板 (Silicon wafer)、玻璃或III A- V A族化合物半導體。較佳地，該晶種層12的厚度介於Inm至500 μ m之間，其為氧化鋅或摻雜III A族金屬的氧化鋅。其中，該摻雜III A族金屬的氧化鋅為摻雜鋁氧化鋅(Al-doped Ζη0;ΑΖ0)、摻雜鎵氧化鋅(Ga-doped ZnO ；GZ0)或摻雜銦氧化鋅(In-doped ZnO ； ΙΖ0)。較佳地，該多個氧化鋅納米結構13為納米線(nanowires)、納米柱(nanorods)、納米粒子(nanoparticles)或納米管(nanotubes)。其中，該納米柱的長度介於IOOnm至1 μ m 之間，其直徑介於IOnm至IOOnm之間。較佳地，該多個金屬納米粒子14的直徑介於2nm至5nm之間，其為鈀(Pd)、鉬 (Pt)、金(Au)、銠(1 )、銀(Ag)或銥(Ir)。較佳地，該金屬接觸層15為鋁(Al)、鉬(Pt)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、金(Au)、鈦(Ti)、 鈀(Pd)或銅(Cu)。參考圖2至圖4所示，本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，包括步驟AQl)在一基板11上鍍上一晶種層12 ；步驟B 02)在該晶種層12上成長多個氧化鋅納米結構13 ；步驟以23)在該多個氧化鋅納米結構13的表面附著多個金屬納米粒子14 ；以及步驟IK24)在該多個氧化鋅納米結構13上蒸鍍沉積兩個金屬接觸層15作為電性連接，且該兩個金屬接觸層15間具有一間距，不互相接觸。較佳地，在該步驟AQl)中，該晶種層12利用濺鍍或鍍膜法鍍於該基板上11。此外，該基板11為一絕緣材質；優選地，該基板11為藍寶石、矽基板、玻璃或III A- V A族化合物半導體。另外，該晶種層12的厚度介於Inm至500 μ m之間，其為氧化鋅或摻雜III A族金屬的氧化鋅；其中，該摻雜III A族金屬的氧化鋅為摻雜鋁的氧化鋅、摻雜鎵的氧化鋅或摻雜銦的氧化鋅。較佳地，在該步驟B (22)中，利用水熱(Hydrothermal)、金屬有機氣相沉積 (MOCVD)、化學氣相沉積(CVD)、脈衝雷射沉積(PLD)、分子束磊晶成長(MBE)或電化學(ED) 法，將該多個氧化鋅納米結構13成長於該晶種層12上。其中，該水熱法包括下列步驟將一含鋅鹽類溶液與一鹼性溶液混合，製備成一成長溶液；以及將該鍍於基板11的晶種層12浸於該成長溶液並加熱進行成長反應，使該多個氧化鋅納米結構13成長於該晶種層12上。更佳地，該含鋅鹽類溶液為硝酸鋅(Zn(NO3)2 · 6H20)溶液或醋酸鋅 (Zn(C2H3O2)2 · 2H20)溶液，該鹼性溶液為氫氧化納(NaOH)溶液或六次甲基四胺
6(Hexamethylenetetramine ；HMT)溶液，該成長反應的反應溫度為60°C至150°C，其反應時間為1小時至M小時。此外，該多個氧化鋅納米結構(13)為納米線、納米柱、納米粒子或納米管；其中，該納米柱的長度介於IOOnm至Iym之間，其直徑介於IOnm至IOOnm之間。較佳地，該步驟以23)中，利用含浸法，將該多個金屬納米粒子14附著於該多個氧化鋅納米結構13，該含浸法包括下列步驟提供一前驅鹽，並將該前驅鹽溶解於水中，製備成一前驅鹽溶液；將該前驅鹽溶液塗布於該成長於晶種層12的多個氧化鋅納米結構13 ；以及加熱該塗布於多個氧化鋅納米結構13的前驅鹽溶液，並通入一反應氣體，進行還原反應，使該前驅鹽還原成該多個金屬納米粒子14並附著於該多個氧化鋅納米結構13的表面。更佳地，該前驅鹽為六氯鉬酸(H2PtCl6),該還原反應的反應溫度為50°C至 IOOO0C，該反應氣體為氫氣。此外，該多個金屬納米粒子14的直徑介於2nm至5nm之間，其為鈀、鉬、金、銠、銀或銥。較佳地，該步驟IK24)中，該兩個金屬接觸層15為鋁、鉬、鉻、鎳、金、鈦、鈀或銅。為了使本領域技術人員更容易了解本發明的內容，特舉一關於本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器的實施例及其製造方法說明如下在本實施例中，以一藍寶石作為基板，在該藍寶石上濺渡一厚度IOOnm的氧化鋅作為晶種層。接著，將一硝酸鋅溶液與六次甲基四胺溶液混合製備成一成長溶液，並將該鍍於藍寶石的氧化鋅晶種層浸至該成長溶液中加熱至70°C，反應6小時，即可在該氧化鋅上成長多個長度ι μ m且直徑60nm的氧化鋅納米柱。隨後，將六氯鉬酸溶解於水中製備成六氯鉬酸溶液，將該六氯鉬酸溶液塗布於該成長於氧化鋅晶種層上的多個氧化鋅納米柱，並將該塗布於多個氧化鋅納米柱的六氯鉬酸溶液加熱至300°C，再導入氫氣，即可使該六氯鉬酸溶液還原成多個鉬納米粒子，並附著於該多個氧化鋅納米柱。最後，在該多個氧化鋅納米柱上蒸鍍沉積兩個鋁金屬接觸層，即完成本實施例的氧化鋅納米結構氣體感測器。為檢驗本實施例的氧化鋅納米結構氣體感測器在不同工作溫度下的感測靈敏度， 將其置於不同溫度下並置入IOOOppm氨氣(NH3)的環境中。本實施例的氧化鋅納米結構氣體感測器偵測氨氣的方式，如下所述該多個氧化鋅納米柱在工作溫度下會吸附空氣中的氧氣，並提供該氧氣電子而形成氧離子(0-、02_、 O2-)，此時該氧化鋅納米結構氣體感測器可測得一空氣下的電阻值(RaJ ；—旦氨氣吸附於該多個鉬納米粒子，該吸附於多個鉬納米粒子的氨氣通過溢流效應而傳導至該多個氧化鋅納米柱，並與該氧離子發生反應，以致該氧離子釋放該多個氧化鋅納米柱提供的電子於該多個氧化鋅納米柱中，此時該氧化鋅納米結構氣體感測器可測得一下降的電阻值，該下降的電阻值為氨氣下的電阻值(Ra_nia)。於此，可定義該氧化鋅納米結構氣體感測器的對氨氣的感測靈敏度(S)為該空氣下的電阻值與該氨氣下的電阻值的比值，其公式如下
權利要求
1.一種氧化鋅納米結構氣體感測器，包括 一基板；一晶種層，其位於該基板上； 多個氧化鋅納米結構，其成長於該晶種層上； 多個金屬納米粒子，其附著於該多個氧化鋅納米結構的表面；以及兩個金屬接觸層，其位於該多個氧化鋅納米結構上作為電性連接，該兩個金屬接觸層間具有一間距，不互相接觸。
2.如權利要求1所述的氧化鋅納米結構氣體感測器，其特徵在於，該多個氧化鋅納米結構為納米線(nanowires)、納米柱(nanorods)、納米粒子(nanoparticles)或納米管 (nanotubes)。
3.如權利要求2所述的氧化鋅納米結構氣體感測器，其特徵在於，該晶種層為氧化鋅或摻雜III A族金屬的氧化鋅。
4.如權利要求3所述的氧化鋅納米結構氣體感測器，其特徵在於，該摻雜IIIA族金屬的氧化鋅為摻雜鋁的氧化鋅(Al-doped ZnO ;ΑΖ0)、摻雜鎵的氧化鋅(Ga-doped ZnO ；GZ0)或摻雜銦的氧化鋅(In-doped ZnO ； ΙΖ0)。
5.如權利要求1至4中任一權利要求所述的氧化鋅納米結構氣體感測器，其特徵在於， 該多個金屬納米粒子為鈀(Pd)、鉬(Pt)、金(Au)、銠(Rh)、銀(Ag)或銥(Ir)0
6.一種氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，包括 步驟A 在一基板上鍍上一晶種層；步驟B 在該晶種層上成長多個氧化鋅納米結構； 步驟C 在該多個氧化鋅納米結構的表面附著多個金屬納米粒子；以及步驟D 在該多個氧化鋅納米結構上蒸鍍沉積兩個金屬接觸層作為電性連接，且該兩個金屬接觸層間具有一間距，不互相接觸。
7.如權利要求6所述的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，其特徵在於，在該步驟B中，利用水熱(Hydrothermal)、金屬有機氣相沉積(MOCVD)、化學氣相沉積(CVD)、脈衝雷射沉積(PLD)、分子束磊晶成長(MBE)或電化學(ED)法將該多個氧化鋅納米結構成長於該晶種層上。
8.如權利要求6或7所述的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，其特徵在於，在該步驟C中，利用含浸法將該多個金屬納米粒子附著於該多個氧化鋅納米結構。
9.如權利要求7所述的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，其特徵在於，該水熱法包括下列步驟將一含鋅鹽類溶液與一鹼性溶液混合，製備成一成長溶液；及將該鍍於基板的晶種層浸於該成長溶液並加熱進行成長反應，使該多個氧化鋅納米結構成長於該晶種層上。
10.如權利要求8所述的氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法，其特徵在於，該含浸法包括下列步驟提供一前驅鹽，並將該前驅鹽溶解於水中，製備成一前驅鹽溶液； 將該前驅鹽溶液塗布於該成長於晶種層的多個氧化鋅納米結構；及加熱該塗布於多個氧化鋅納米結構的前驅鹽溶液並通入一反應氣體，進行還原反應，使該前驅鹽還原成該多個金屬納米粒子並附著於該多個氧化鋅納米結構的表面。
全文摘要
本發明的氧化鋅納米結構氣體感測器，其包括一基板；一晶種層，其位於該基板上；多個氧化鋅納米結構，其成長於該晶種層上；多個金屬納米粒子，其附著於該多個氧化鋅納米結構的表面；兩個金屬接觸層，其位於該多個氧化鋅納米結構上作為電性連接，該兩個金屬接觸層間具有一間距，不互相接觸。通過這種金屬納米粒子具有對氣體黏滯性高及對被測氣體的辨識度高的特性，以提高該氧化鋅納米結構氣體感測器的感測靈敏度與可靠度；此外，本發明還提供了該氧化鋅納米結構氣體感測器的製造方法。
文檔編號G01N27/12GK102288648SQ20111019397
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月7日 優先權日2011年7月7日
發明者劉一平, 劉文超, 蔡宗翰, 許啟祥, 陳慧英, 陳泰佑 申請人:劉文超