[發明專利]一種低溫檢測氮氧化物氣敏元件的制備方法

無效

• 申請號: 201310498458.X
• 申請日: 2013-10-21
• 公開（公告）號: CN103512924A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 胡明;馬雙云;崔珍珍;李明達;曾鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張宏祥

技術領域

本發明是關于氣敏傳感器的，尤其涉及一種多孔硅基與一維氧化鎢納米線復合結構低溫氣敏傳感器元件的制備方法。

背景技術

隨著工業技術的飛速發展與人們生活水平的不斷提高，生產生活過程中帶來的各種氣體污染物大量增加，大量有毒有害氣體及可燃性氣體（如NO₂、NH₃、CO和H₂等）在污染環境的同時也嚴重威脅著人類的健康和安全。尤其氮氧化物(NO_x)作為一種強毒性氣體，是酸雨和光化學煙霧的主要來源，為此，隨著科學技術的進步，對有毒有害的氮氧化物的檢測、監控、報警的要求越來越高，為新型高性能的探測氮氧化物氣敏元件的研究與開發提供了廣闊的空間

氧化鎢屬于n型寬禁帶半導體，在氣體傳感器、光電器件以及光催化等領域均有廣泛的應用，尤其其對NO_x氣體有很高的靈敏度和選擇性，被認為是極有研究與應用前景的半導體氣體敏感材料。然而氧化鎢工作溫度遠高于室溫（200°C～300°C）這一特點使得基于氧化鎢氣敏傳感器結構需要考慮加熱裝置，這極大的增加了傳感器的功耗。有研究表明，一維氧化鎢納米結構與傳統的氧化鎢材料相比，其具有更大的比表面積，更大的表面活性以及更強的氣體吸附能力，從而能加快與氣體之間的反應，在進一步提高靈敏度的同時，對于降低工作溫度具有重要意義。

多孔硅是一種在硅片表面通過腐蝕形成的孔徑尺寸、孔道深度和孔隙率可調的多孔性疏松結構材料，室溫下即具有很高的表面活性，可檢測NO₂、NH₃、H₂S及多種有機氣體，且制作工藝易與微電子工藝技術兼容。但是多孔硅也存在靈敏度相對較低的缺點，在一定程度上制約了實際應用。

近年來，有些學者致力于一維金屬氧化物氣敏材料的研究，開發出一些氣敏元件，由于其工作溫度較高（高于200°C），嚴重制約了其在實際生產生活中的應用。本發明采用熱退火薄膜的方法利用水平管式爐將具有室溫特性的多孔硅與一維氧化鎢納米結構復合形成新的復合結構氣敏材料，其具有巨大的比表面積以及大的表面活性，提供了大量的氣體吸附位置和擴散通道，克服了當前基于一維氧化鎢納米結構氣敏材料工作溫度較高的缺陷，開發出一種在較低溫度（150°C）具有較高靈敏度和較快響應/恢復速率的納米復合結構氣敏傳感器元件。

發明內容

本發明的目的，是克服現有一維氧化鎢納米結構氣敏傳感器工作溫度較高（200°C以上）的不足，結合有序多孔硅能夠室溫探測以及能夠為氣體提供有效通道的優勢，提供一種結構新穎、制作工藝簡單的新型低溫（150°C）檢測氮氧化物的多孔硅基一維氧化鎢納米結構氣敏元件的制備方法。

本發明通過如下技術方案予以實現。

一種低溫檢測氮氧化物氣敏元件的制備方法，具有如下步驟：

（1）清洗硅基片襯底

將p型、單面拋光、電阻率為10～15Ω·cm的單晶硅基片依次經過濃硫酸與過氧化氫混合溶液浸泡30～50分鐘、氫氟酸水溶液浸泡20～40分鐘、丙酮溶劑超聲清洗5～15分鐘、無水乙醇超聲清洗5-15分鐘、去離子水中超聲清洗5～15分鐘，以除去表面油污、有機物雜質以及表面氧化層；

（2）制備多孔硅基底層

采用雙槽電化學腐蝕法在步驟（1）清洗過的硅基片襯底拋光表面制備多孔硅層，所用腐蝕電解液由質量分數40%的氫氟酸與質量分數40%的二甲基甲酰胺組成，其體積比為1：2；不添加表面活性劑和附加光照，施加的腐蝕電流密度為50～120mA/cm²，腐蝕時間為5～20min；

（3）制備多孔硅層與鎢薄膜復合結構

將步驟(2)制得的多孔硅基底置于超高真空對靶磁控濺射設備的真空室，采用金屬鎢作為靶材，以氬氣作為工作氣體，氬氣氣體流量為30～50sccm，濺射工作壓強為2.0Pa，濺射功率80～100W，濺射時間15～30min，基片溫度為室溫，在多孔硅表面沉積金屬鎢薄膜，制備出鎢薄膜與多孔硅復合結構；

（4）制備多孔硅層與氧化鎢納米線復合結構

將步驟(3)制備的金屬鎢薄膜與多孔硅復合結構置于水平管式爐中，利用熱退火的方法，以氬氣作為工作氣體，氧氣作為反應氣體，氣體流量分別控制為30～40sccm和0.05～0.1sccm，退火溫度為600～750度，保溫時間為50～80min，本體真空度為1～5Pa，工作壓強為120～200Pa；

（5）制備低溫檢測氮氧化物氣敏元件