[發(fā)明專利]基于準(zhǔn)定向氧化鎢納米線的氣敏傳感器元件的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410082909.6
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號(hào): CN103852496A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦玉香;謝威威;孫學(xué)斌;劉長雨;劉梅
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/12
• 分類號(hào): G01N27/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 張宏祥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于氣敏傳感器的，尤其涉及一種基于準(zhǔn)定向氧化鎢納米線的氣敏傳感器元件的制備方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了大量的易燃易爆有毒有害氣體，其中氮氧化物（NO_x）是一種可導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重環(huán)境問題并對人類健康帶來巨大威脅的典型大氣污染物。研究用于NO_x的準(zhǔn)確檢測和監(jiān)控的高性能氣敏傳感器材料與器件對保護(hù)環(huán)境和人類健康意義重大。而且，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對氮氧化物氣體傳感器的性能提出了更高的要求。研究人員也一直在通過研發(fā)新型結(jié)構(gòu)和組成的敏感材料不斷改善氣敏傳感器的敏感性能。

大量研究發(fā)現(xiàn)，一維氧化鎢納米線對NO_x氣體具有很高的靈敏度和選擇性，是一種極有研究與應(yīng)用前景的NO_x敏感材料，其氣敏機(jī)理屬于表面電阻控制型，對氣體的探測是基于氧氣與被測氣體在半導(dǎo)體晶粒表面吸附和反應(yīng)對氧化鎢半導(dǎo)體表面電阻的調(diào)制過程。由于準(zhǔn)一維鎢氧化物納米線材料具有高的比表面積以及其垂直軸向尺寸與德拜長度相比擬從而可獲得更高的氣體靈敏度、更好的選擇性和更低的工作溫度，顯示了氧化鎢納米線氣敏材料在高性能氮氧化物氣體傳感器中應(yīng)用的光明前景。

迄今為止，基于一維氧化鎢等氧化物納米線的傳感器元件的制作工藝主要是將預(yù)先合成的納米線在器件基底表面進(jìn)行二次組裝，也就是利用絲印、旋涂、電泳、AFM等后加工方法在傳感器基底表面形成納米線的厚膜或單根結(jié)構(gòu)。從應(yīng)用的角度，單根納米線氣敏性能差、工作壽命短、且電學(xué)接觸的實(shí)現(xiàn)過分依賴于昂貴耗時(shí)的電子束光刻等高精度加工技術(shù)，導(dǎo)致器件加工效率低、成本高，難以走出實(shí)驗(yàn)室用于批量生產(chǎn)；而在由二次組裝形成厚膜敏感層的情況下，納米線厚膜隨機(jī)分布在兩個(gè)電極之上，復(fù)雜的后工序難以達(dá)到納米線在基底表面的高精度裝配，而且很難完全發(fā)揮一維納米線的優(yōu)異敏感特性，特別是厚膜中的納米線與電極之間的接觸不存在可靠的相互結(jié)合機(jī)制，從而極大地影響傳感器的靈敏度和響應(yīng)特性，并造成器件穩(wěn)定性、可靠性降低，器件性能受環(huán)境影響大等問題。從某種意義上講，現(xiàn)有納米線的組裝工藝所存在的技術(shù)限制正是阻礙納米線基微傳感器實(shí)用化進(jìn)程的重要原因之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的，在于克服現(xiàn)有二次組裝納米線氣敏傳感器的系列缺點(diǎn)，解決微傳感器制造中納米線在傳感器基片表面組裝中的問題，提供一種采用鎢金屬薄膜再結(jié)晶輔以后退火自組裝制備準(zhǔn)定向氧化鎢納米線基氣敏傳感器元件的方法。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，步驟如下：

(1)清洗基底

將氧化鋁陶瓷基底在無水乙醇中超聲清洗20分鐘，取出基片，用去離子水沖洗，再在氫氟酸溶液中繼續(xù)超聲清洗5～10分鐘，以徹底清潔表面雜質(zhì)；然后，用去離子水繼續(xù)超聲清洗20分鐘，將基片于空氣氣氛下干燥，備用。

(2)濺射叉指電極

將步驟(1)超聲清洗并徹底烘干后的氧化鋁傳感器基底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，以高純金屬鉑作為靶材，以氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa，濺射功率80～90W，濺射時(shí)間8～10min，基片溫度為室溫，在氧化鋁陶瓷基底表面形成一層厚度為100-300nm叉指鉑電極；

(3)沉積金屬鎢薄膜：

利用超高真空對靶磁控濺射設(shè)備在鍍覆有叉指Pt電極的氧化鋁陶瓷基底表面沉積金屬鎢薄膜。以金屬鎢作為靶材，氬氣作為濺射氣體，濺射工作氣壓2.0Pa，濺射功率為80-90W，氬氣流量30-40sccm，濺射時(shí)間為10-20min，濺射沉積的金屬鎢薄膜厚度為50-80nm；

(4)薄膜再結(jié)晶生長準(zhǔn)定向納米線

在真空高溫管式爐設(shè)備中對金屬鎢薄膜進(jìn)行熱處理，再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)定向納米線的生長；將沉積有鎢薄膜的氧化鋁陶瓷基底放在管式爐的高溫區(qū)，采用階梯升溫，控制升溫曲線為：室溫至500℃，升溫速率5℃/min；由500℃至600～650℃，升溫速率10℃/min；在600～650℃保溫1～1.5小時(shí)，保溫結(jié)束，自然冷卻到室溫；獲得的納米線薄膜制品呈深藍(lán)色或黑色；

納米線生長氣氛為氧氣氬氣混合氣體，通過質(zhì)量流量計(jì)控制氬氣流量為30～35sccm，氧氣氣流量為0.1～0.2sccm，爐內(nèi)生長壓力為140～150Pa；

(5)后退火處理

為進(jìn)一步穩(wěn)定晶相，改善元件的氣敏性能，對步驟(4)的產(chǎn)物薄膜進(jìn)行后退火處理；退火溫度為400～500℃，升溫速度在5～10℃/min，保溫時(shí)間2～3小時(shí)，退火氣氛為空氣。

所述步驟(2)的靶材金屬鉑的質(zhì)量純度為99.999％。