[發明專利]一種氣體傳感器及其制作方法

在審

• 申請號: 202110354503.9
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN112946037A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 趙珉;劉桂英;劉如軍
• 申請（專利權）人: 嶺南師范學院
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 劉瑤云;陳偉斌

本發明涉及傳感器技術領域，提供一種氣體傳感器及其制作方法。此氣體傳感器，包括基板、石墨烯層、金屬電極對、金屬氧化物層；基板、石墨烯層和金屬電極對由下至上依次設置；一個金屬電極對包括兩個金屬電極，一個金屬電極對的兩個金屬電極之間的區域為溝道；在溝道處的石墨烯層設有間隙槽，使位于溝道處的石墨烯層斷開，形成石墨烯電極對；金屬氧化物層位于溝道處，且覆蓋在石墨烯電極對以及間隙槽上，以連接石墨烯電極對；金屬氧化物層的面積小于溝道的面積，以使溝道內具有未被金屬氧化物層覆蓋而裸露的石墨烯層。本發明提供一種響應強度高、響應的特異選擇性好的氣體傳感器。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種氣體傳感器及其制作方法。

背景技術

目前氣體傳感器使用較多的敏感材料主要是金屬氧化物層半導體和有機半導體材料。傳統厚膜金屬氧化物層半導體傳感器室溫下與待檢氣體的反應進行得非常慢，通常需要在較高溫度下預熱和工作，如步驟SnO2需要在70～350℃、ZnO需要在300～450℃等。而高的操作溫度會使傳感器的阻抗變得非常大，需要設計較復雜的電路以避免漏電。而有機半導體材料由于電學和力學性能差，且材料制備工藝復雜、成本高等原因而限制了其在高性能氣體傳感器上的功能拓展。作為典型二維材料，石墨烯由于具有巨大的比表面積、極高的載流子遷移率、較小的本征噪聲，且易于被化學修飾、柔性且便于集成等特征，在高性能室溫氣體傳感器研制、尤其是可穿戴設備等領域具有誘人的應用前景。在一般的石墨烯基氣體傳感器中，石墨烯的主要作用是作為溝道敏感材料的承載材料，而對氣體分子起敏感作用的主要在石墨烯表面的敏感材料，如金屬或金屬氧化物層顆粒等，敏感材料一般與石墨烯承載材料的覆蓋面積一致。

但石墨烯碳原子間的步驟Sp2雜化軌道具有一定的化學惰性，使其氣體響應的靈敏度受到限制，解吸附過程較慢，且選擇性較差。如何提高響應性能成為石墨烯基氣體傳感器研制的重點和難點。目前報道一些改善本征石墨烯基氣體傳感器性能的技術方法，如提高傳感器的工作溫度；或對本征石墨烯薄膜表面進行臭氧處理而引入含氧基團；或對石墨烯進行圖形化加工，增加氣體吸附的活性位置；或更改石墨烯附著的襯底等。上述方法的缺點主要是成本高、穩定性較差、功耗大，不能很好提升傳感器性能。

中國發明專利公開號CN109632906A(公開日為2019年04月16日)，公開了一種基于石墨烯-金屬異質結的氣體傳感器陣列及其制備方法，該專利的電阻式傳感器包括金屬電極、金屬電極上的石墨烯薄膜以及頂層的金屬覆蓋層，金屬電極均包括兩個電極單元，兩個電極單元上表面設置有連續的石墨烯薄膜；兩個電極單元間隙正上方的石墨烯薄膜上表面設置有金屬覆蓋層，電阻式傳感器的頂層設置有金屬覆蓋層，該覆蓋層將兩個電極單元間隙上方的石墨烯完全覆蓋，這種設計一方面可以屏蔽石墨烯溝道，使得傳感器只有石墨烯-金屬異質結暴露在外，則電阻式傳感器的響應完全來自石墨烯-金屬異質結對氣體的響應，另一方面金屬覆蓋層與石墨烯溝道在測量電路里是并聯關系，這進一步降低了石墨烯薄膜電阻在總電阻中的比例，提高了異質結的響應靈敏度。該專利只采用覆蓋在金屬電極上方的石墨烯膜作為敏感材料，由于石墨烯碳原子間的步驟Sp2雜化軌道具有一定的化學惰性，因此，該專利的氣體響應的靈敏度受到限制，解吸附過程較慢，且選擇性較差。

發明內容

本發明的目的是提供一種響應強度高、響應的特異選擇性好的氣體傳感器及其制作方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種氣體傳感器，包括基板、石墨烯層、金屬電極對、金屬氧化物層；基板、石墨烯層和金屬電極對由下至上依次設置；一個金屬電極對包括兩個金屬電極，一個金屬電極對的兩個金屬電極之間的區域為溝道；

在溝道處的石墨烯層設有間隙槽，使位于溝道處的石墨烯層斷開，形成石墨烯電極對；金屬氧化物層位于溝道處，且覆蓋在石墨烯電極對以及間隙槽上，以連接石墨烯電極對；金屬氧化物層的面積小于溝道的面積，以使溝道內具有未被金屬氧化物層覆蓋而裸露的石墨烯層。

作為優選方案：基板包括硅襯底和二氧化硅層；二氧化硅層設于硅襯底上，石墨烯層設于二氧化硅層的上方。