一種薄膜型酒精氣敏傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣敏傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜型酒精氣敏傳 感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量迅速提高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，人們對(duì)氣 敏傳感器的需求日漸突出。氣敏傳感器的工作原理是：氣體分子對(duì)傳感層表面和內(nèi)部電阻 產(chǎn)生影響，通過(guò)電阻的變化反映出對(duì)氣體的響應(yīng)和檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度和成分的檢 測(cè)。自從20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)金屬氧化物半導(dǎo)體具有氣敏效應(yīng)，其發(fā)展得到了科研工作者的廣泛 關(guān)注。目前主要被大范圍地應(yīng)用在交通、食品、安全、礦山以及工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，探測(cè) 甲烷、一氧化碳、氫氣、酒精等多種氣體，起到了不可取代的作用。
[0003] 目前被廣泛研究的氣敏材料包括Zn0、Sn02、Fe203等半導(dǎo)體材料。在實(shí)際應(yīng)用中一 般是將制備的粉末氣敏材料涂覆到絕緣基板上，再經(jīng)過(guò)退火老化等步驟形成氣敏傳感層， 經(jīng)過(guò)器件的小型化和智能化后應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域中。但是這類(lèi)傳感材料是通過(guò)納米顆粒的粘 合，晶界處俘獲中心比較多、化學(xué)穩(wěn)定性不高，導(dǎo)致傳感器的靈敏度不高。雖然最近幾十年 中一維納米材料基于其較高的比表面積和較強(qiáng)的靈敏度，展示出非常好的發(fā)展前景。但是 眾所周知，一維納米材料由于其巨大的比表面積使得材料本身極其不穩(wěn)定，不利于傳感器 的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。目前，人們所開(kāi)發(fā)的氣敏傳感器基本都是基于納米材料，但納米材料自身 的特點(diǎn)及其制備流程決定了其難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化生產(chǎn)，也與現(xiàn)有的微電子技術(shù)和集成 化工藝不兼容。
[0004] 非晶氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜是一種非常重要的半導(dǎo)體氧化物材料，在最近的十 余年間得到了較大發(fā)展，其特殊的電學(xué)性能使得這類(lèi)材料非常有希望應(yīng)用在光電信息和傳 感領(lǐng)域。目前，非晶氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜在新一代顯示技術(shù)等領(lǐng)域已獲得初步應(yīng)用， 如作為薄膜晶體管（TFT)的溝道層；文獻(xiàn)中也有報(bào)道非晶氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜用于紫 外探測(cè)、生物傳感等的研究成果，但目前還未見(jiàn)到利用非晶氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體作為氣敏 傳感層來(lái)應(yīng)用在氣敏傳感器領(lǐng)域。作為非晶氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜，其具備一般的納米 材料所不具備的性能，例如不存在晶界俘獲中心、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗輻射性高等優(yōu)點(diǎn)。特別 是，利用非晶氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜制作氣敏傳感器，與現(xiàn)有微電子技術(shù)和平面工藝相 兼容，可實(shí)現(xiàn)器件的微型化和集成化，因而也易于實(shí)現(xiàn)氣敏傳感器的智能化和便攜化，向可 穿戴產(chǎn)品發(fā)展，這是與現(xiàn)有基于納米材料的氣敏傳感器的最大區(qū)別和優(yōu)勢(shì)。因此，基于非晶 氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體薄膜的氣敏傳感器將是一種新型的氣體探測(cè)器，代表著未來(lái)的發(fā)展方 向，具有巨大的潛在市場(chǎng)應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種基于非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜的薄 膜型酒精氣敏傳感器及其制備方法，進(jìn)行新型氣敏傳感器探索。
[0006] 本發(fā)明提供了 一種薄膜型酒精氣敏傳感器，所述薄膜型酒精氣敏傳感器，包含絕 緣襯底層、電極層和傳感層；其中電極層含兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的電極、絕緣襯底層置于底部、傳 感層與電極層置于絕緣襯底層上、且呈上下層布置；其中所述傳感層為非晶氧化物半導(dǎo)體 薄膜。
[0007] 進(jìn)一步地，電極層設(shè)置于絕緣襯底層上表面，傳感層覆蓋于電極層上。
[0008] 進(jìn)一步地，作為傳感層的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜為ZnSnO基非晶氧化物半導(dǎo)體薄 膜，其中可加入少量金屬元素包括Al、Ga、Si、Nb、In、Hf、Zr等元素來(lái)調(diào)控其化學(xué)組分及薄 膜的傳感性能。
[0009] 進(jìn)一步地，所述ZnSnO基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜的化學(xué)式為ZnxSny0 x+2y，其中 0· 1 彡 X 彡 0· 5,0· 5 彡 y 彡 0· 9,且 x+y=l。
[0010] 進(jìn)一步地，所述作為傳感層的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度為50 nm~800 nm。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種酒精氣敏傳感器的制備方法，該方法包括以下步驟： ① 選擇絕緣襯底層，并對(duì)絕緣襯底層徹底清洗，清洗后干燥； ② 在絕緣襯底層表面制備電極層；并進(jìn)行蝕刻，形成相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極； (1)在電極層上制備非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，作為酒精氣敏傳感器的傳感層。
[0012] 或者，該酒精氣敏傳感器的制作步驟順序?yàn)棰?|)②，從而形成的薄膜型酒精氣敏 傳感器從下至上依次為絕緣襯底層、非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜的傳感層、電極層。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟@中作為傳感層的非晶氧化物半導(dǎo)體是通過(guò)溶液化學(xué)方法中的一 種制備的ZnSnO基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜。
[0014] 本發(fā)明的有益效果在于： 1)本發(fā)明制作的基于ZnSnO基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜的薄膜型酒精氣敏傳感器是一 種新型的傳感器，其探測(cè)靈敏度高，有望在軍事和民用等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)其應(yīng)用。
[0015] 2)非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜型酒精氣敏傳感器，具有目前的納米材料傳感器器所不 具備的性能，例如不存在納米材料的納米效應(yīng)，大大減小了缺陷的產(chǎn)生，而且化學(xué)穩(wěn)定性更 高、抗輻射性更高。利用非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜制作氣敏傳感器，克服了基于納米材料的 氣敏傳感器難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化生產(chǎn)、難以與現(xiàn)有的微電子技術(shù)和集成化工藝兼容等缺 點(diǎn)。非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜型傳感器能夠與現(xiàn)有微電子技術(shù)和平面工藝相兼容，可實(shí)現(xiàn)器 件的微型化和集成化，因而也易于實(shí)現(xiàn)氣敏傳感器的智能化和便攜化，向可穿戴產(chǎn)品發(fā)展。 本發(fā)明制備的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜型酒精氣敏傳感器，證實(shí)了非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜在 氣敏傳感器上應(yīng)用的可能。
[0016] 3)本發(fā)明提供非晶氧化物半導(dǎo)體酒精氣敏傳感器的制備方法，其中傳感層非晶氧 化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法靈活性強(qiáng)，可以選擇傳統(tǒng)制膜方法，包括常用的磁控，脈沖激光 沉積等物理方法；也可選擇化學(xué)溶液法，該法制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，且能實(shí)現(xiàn)薄膜的低溫 生長(zhǎng)，能夠大大增加了在工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)會(huì)。
[0017] 4)另外本發(fā)明提供非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜型酒精氣敏傳感器的制備方法，其中制 得的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜傳感層表面平整，成分分布均勻，易于腐蝕，可大面積制備，且 成品率尚。
[0018] 5)本發(fā)明制備得到的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜型酒精氣敏傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)納米 材料而言，其比表面積極其小，但是傳感器的性能卻能夠與納米材料制備的傳感器相當(dāng)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明薄膜型酒精氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2為圖1中A-A方向的截面示意圖。
[0021] 圖3為本發(fā)明薄膜型酒精氣敏傳感器的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖4為實(shí)例1中薄膜型酒精氣敏傳感器對(duì)20 ppm濃度的酒精含量的響應(yīng)圖。
[0023] 圖5為實(shí)例1中薄膜型酒精氣敏傳感器對(duì)100 ppm濃度的酒精含量的響應(yīng)圖。
[0024] 圖6為實(shí)例1中薄膜型酒精氣敏傳感器對(duì)500 ppm濃度的酒精含量的響應(yīng)圖。
[0025] 其中，圖中：1為絕緣襯底層，2為電極層，3為傳感層。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下結(jié)合附圖及具體實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。如圖1所示為本發(fā)明的薄膜型酒精 氣敏傳感器，圖2為圖1沿A-A方向的截面圖，圖中可以看到，本發(fā)明的薄膜型酒精氣敏傳 感器包括絕緣襯底層、電極層以及傳感層，其中電極層含兩個(gè)相對(duì)設(shè)置于襯底上表面的電 極，傳感層覆蓋于電極層上。圖1及圖2所示的僅為本發(fā)明的薄膜型酒精氣敏傳感器的一 種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于將傳感層置于電極層的頂部，在整個(gè)傳感器的外層，因此可以增加 感應(yīng)氣體與傳感層的有效接觸面積，因此可以有效的提高傳感器的探測(cè)敏感度。本發(fā)明的 薄膜酒精氣敏傳感器，也可以采用如圖3的結(jié)構(gòu)，傳感層設(shè)置于襯底的上表面，而電極層覆 蓋在傳感層的上方。本發(fā)明所述的絕緣襯底層可以為藍(lán)寶石、石英、玻璃、陶瓷、聚碳酸酯或 苯二甲酸乙二酯中的任意一種。而且本發(fā)明的酒精氣敏傳感器傳感層的制備可以是傳統(tǒng)的 磁控濺射，脈沖激光沉積物理方法和溶液化學(xué)方法等化學(xué)方法；本發(fā)明的酒精氣敏傳感器 的傳感層為ZnSnO基非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜，可以根據(jù)適當(dāng)要求在ZnSnO基薄膜中加入適 量的Al、Ga、Si、Nb、In等元素來(lái)調(diào)控其化學(xué)組分及薄膜的傳感性能；本發(fā)明作為酒精氣敏 傳感器的非晶氧化物半導(dǎo)體薄膜厚度優(yōu)選在50~800 nm之間。本發(fā)明的酒精氣敏傳感器 的電極層的材質(zhì)可以為Pd、Ag等耐高溫性能較好的導(dǎo)電金屬，兩個(gè)電極的材質(zhì)可以相同， 也可以采用不同的金屬，為制備簡(jiǎn)單考慮，優(yōu)選兩電極采用相同材質(zhì)的金屬電極，本發(fā)明優(yōu) 選為Ag電極，兩電極相對(duì)設(shè)置在襯底和傳感層中間，可以如圖1所示的叉指形狀設(shè)置，也可 以采用其他相對(duì)設(shè)置的形式；本發(fā)明的酒精氣敏傳感器在工作時(shí)，酒精分子會(huì)提供電子進(jìn) 入傳感層內(nèi)部，從而導(dǎo)致表面電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生響應(yīng)。從本