一種氮氧化物氣敏傳感器元件的制作方法

專利名稱：一種氮氧化物氣敏傳感器元件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種氣敏傳感器的，尤其涉及一種適用于檢測氮氧化物氣體的多孔硅氣敏傳感器元件。
背景技術：
現代工業飛速發展的同時不斷給生態環境帶來了嚴重的污染，工業廢氣、汽車尾氣產生的氮氧化物氣體(NOx)作為有毒有害氣體，是酸雨和光化學煙霧的主要來源，對人類健康產生了極大的危害，已經受到世界范圍內越來越廣泛的關注與重視。各國紛紛制定相關政策和監控標準，根據意大利的標準，環境中NO2濃度應低于lOOppb，我國規定的標準上限約為120ppb。隨著人們環保意識的增強，安全生產要求的提高，急需能夠有效監控和檢測低濃度氮氧化物氣體的高性能氣敏傳感器。目前現行的對氮氧化物氣體進行檢測的主流產品仍然以傳統加熱式的陶瓷燒結型、厚膜型半導體氣敏傳感器為主，體積大、功耗高且難于集成，在低濃度氣體探測方面難以達到更高要求，這就為實現微小型化、集成化、低功耗的傳感器技術的發展增加了復雜性和不穩定性。目前，實現對低濃度氮氧化物氣體的室溫探測仍然是一項極富挑戰性的課題。多孔硅是一種孔徑尺寸、孔道深度可調的多孔性結構材料，因易于與硅芯片電路集成而引起人們的廣泛興趣。自1956年被發現以來，由于其特殊的多孔性微結構，表現出許多不同于單晶硅材料的物理化學特性而具有許多潛在應用價值，尤其利用多孔硅比表面積大，室溫下表面化學活性很高的特點，室溫下即可正常工作。當接觸不同待測氣體時，由于發生物理或化學吸附效應，引起氣敏材料電學特性的顯著變化，從而實現對檢測氣體的探測。現有的多孔硅氮氧化物氣敏傳感器存在響應速度慢、恢復時間長等缺點，嚴重制約了其實際應用。其原因是多孔硅孔徑較小(低于50nm)，孔道呈現“海綿”或“樹枝”狀的無序性結構，嚴重影響了氣體的吸附/脫附速率，而采用孔徑在100 200nm，兼有孔隙率高和孔洞高度有序排列的多孔硅作為氣敏材料有望解決上述問題。
發明內容本實用新型的目的是克服現有氣敏傳感器存在的不足，提供一種對低濃度氮氧化物氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性，快速響應/恢復特性，并且體積小巧、結構簡單、功耗低、制作工藝成熟、使用方便、價格低廉，可以實現硅基集成的氣敏傳感器元件。本發明通過如下技術方案予以實現。一種氮氧化物氣敏傳感器元件，包括硅基片襯底(I )、鉬電極(3)，其特征在于，所述硅基片襯底(I)與鉬電極(3)之間設置有多孔硅敏感層(2);所述娃基片襯底(I)為2.2cmX0.8cm的矩形娃基片襯底。本實用新型的傳感器首創采用孔徑在100 200nm，兼有孔隙率高和孔洞高度有序排列的硅基多孔硅作為氣敏材料，可提供大量的氣體吸附位置和有效的氣體擴散通道，實現氣體的快速吸/脫附。多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件在室溫下對低濃度氮氧化物氣體便具有較高的響應值和很好的選擇性，響應/恢復時間短，穩定性好，且體積小巧、結構簡單、制作工藝成熟、使用方便、價格低廉，有望在氣敏傳感器領域獲得推廣應用。

圖1是本實用新型多孔硅表面形貌的掃描電子顯微鏡照片；圖2是本實用新型多孔硅剖面形貌的掃描電子顯微鏡照片；圖3是本實用新型多孔硅氮氧化物氣體傳感器元件的結構示意圖；圖中:I為娃基片襯底，2為多孔娃敏感層,3為怕電極,標有““ ”為正極,““Θ，，”為負極；圖4是本實用新型多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件在室溫下對不同濃度NO2氣體的動態連續響應曲線圖；圖5是本實用新型多孔娃氮氧化物氣敏傳感器元件在室溫下對0.5ppm NO2氣體的響應/恢復曲線圖；圖6是本實用新型多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件在室溫下對不同氣體的選擇性示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本實用新型作進一步詳細的說明。
`[0018]圖3是本實用新型多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件的結構示意圖，本實用新型包括硅基片襯底1、鉬電極3，所述硅基片襯底I與鉬電極3之間設置有多孔硅敏感層2。本實用新型氮氧化物氣敏傳感器元件的制備方法，步驟如下:(I)清洗硅基片襯底將電阻率為0.015 Ω.αιι的η型(100)晶面的單面拋光的單晶硅片，切割成尺寸為
2.2cmX0.8cm的矩形娃基底，依次放入丙酮溶劑，無水乙醇、去離子水中分別超聲清洗20分鐘，隨后放入質量分數為5%的氫氟酸水溶液中浸泡15分鐘，再用去離子水洗凈備用。(2)制備硅基多孔硅敏感層利用雙槽電化學腐蝕法在硅片的拋光表面制備多孔硅層。先把腐蝕液加入電化學腐蝕槽內，再向兩個半槽分別插入一對鉬金屬電極作為陰極和陽極，然后把硅片裝配在夾具內，夾具兩面開設有矩形的腐蝕窗口，窗口尺寸為1.6cmX0.4cm。為增加密封性，夾具四周用密封膠帶纏好，緊密固定在腐蝕槽中部的插槽里。直流穩壓恒流源連接陽極和陰極，接通電流進行腐蝕，所用腐蝕液為質量分數為7%的氫氟酸水溶液，施加的腐蝕電流密度為125mA/cm2，腐蝕時間為20分鐘，室溫條件下制備。腐蝕過程結束后，制得硅基多孔硅敏感層。本實用新型的多孔硅敏感層表面形貌和剖面結構的掃描電子顯微鏡照片如圖1和圖2所示，制備的多孔硅參數的平均孔徑為170.28nm，多孔硅層厚度為68.78 μ m，孔隙率達到75.73%，表面形貌為不規則多邊形孔組成的蜂窩狀結構，剖面形貌為相互隔離的筆直圓柱形孔道高度有序排列。(3)制作氣敏傳感器元件[0026]將硅基多孔硅置于DPS-1II型超高真空對靶磁控濺射設備的真空室，采用質量純度為99.95%的金屬鉬作為靶材，以質量純度為99.999%的氬氣作為工作氣體，本底真空度
4.0X 10_4Pa，基片溫度為室溫，氬氣氣體流量為24mL/min，濺射工作壓強為2Pa，濺射功率90W,派射時間8min,在多孔娃表面派射一對尺寸為0.2cmX0.2cm的方形鉬電極，電極間距為0.8cm,制成的氣敏傳感器元件結構示意圖如圖3所示。應用本實用新型多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件的使用效果如下。制得的多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件在室溫下對低濃度NO2氣體具有明顯的氣體響應，對不同濃度NO2氣體的電阻值動態響應曲線如圖4所示，其中對0.1,0.25,0.5、
0.75、1、L 5ppm NO2 的靈敏度分別為 1.307,2.003,2.304,2.912,3.359,3.706 ;應用本傳感器元件多次暴露于0.5ppm NO2的氣氛中，其電阻響應具有良好的可逆性、重復性和穩定性，平均響應和恢復時間為60s和150s，結果如圖5所示。應用本傳感器元件在室溫下對Ippm N02、20ppm NH3> S02、H2S、IOOppm乙醇、丙酮、甲醇、異丙醇蒸汽的靈敏度分別為 3.359,2.461,2.036,2.116,1.474,1.168,1.492,1.675。表明本傳感器元件對低濃度NO2氣體具有極佳的選擇性，結果如圖6所示。本實用新型采用靜態配氣法在室溫下測量多孔硅氮氧化物氣敏傳感器元件對檢測氣體的敏感特性，定義在氧化性氣氛(如NO2)下氣敏元件的靈敏度S=Rg/Ra，而在還原性氣氛(如NH3)下氣敏元件的靈敏度S=Ra/Rg，其中Rg、Ra分別為元件在檢測氣體和干燥空氣中的電阻值。
權利要求1.種氮氧化物氣敏傳感器元件，包括硅基片襯底(I)、鉬電極(3)，其特征在于，所述硅基片襯底(I)與鉬電極(3 )之間設置有多孔硅敏感層(2 );所述娃基片襯底(I)為2.2cmX0.8cm的矩形娃基片襯底。
專利摘要本實用新型公開了一種氮氧化物氣敏傳感器元件，包括硅基片襯底(1)、鉑電極(3)，其特征在于，所述硅基片襯底(1)與鉑電極(3)之間設置有多孔硅敏感層(2)；所述多孔硅敏感層(2)是利用雙槽電化學腐蝕法在硅片的拋光表面制備而成。本實用新型傳感器首創采用孔徑在100~200nm，兼有孔隙率高和孔洞高度有序排列的硅基多孔硅作為氣敏材料，實現氣體的快速吸/脫附；對于低濃度氮氧化物氣體具有響應/恢復時間短、穩定性好、體積小巧、結構簡單、制作工藝成熟、使用方便、價格低廉的特點。
文檔編號G01N27/00GK202928977SQ201220538260
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者胡明, 李明達, 馬雙云, 閆文君, 曾鵬 申請人:天津大學