[发明专利]一种具有超高室温灵敏度和超快室温响应特性的硅纳米线气体传感元件

说明书

本发明提供一种具有超高室温灵敏度和超快室温响应特性的硅纳米线气体传感元件，包含p型或者n型单晶硅片基底和铂电极，在单晶硅片基底与铂电极之间有兼具Ag纳晶修饰改性和粗糙表面结构改性的硅纳米线阵列敏感层。本发明的有益效果是显著改善硅纳米线阵列基气体传感器的灵敏度、响应速度、探测极限等室温气体敏感性能，实现传感器对NO₂气体的超高室温灵敏和超快室温响应。

技术领域

本发明涉及高性能低功耗气体传感器领域，更具体地说涉及一种具有超高室温灵敏度和超快室温响应特性的硅纳米线有序阵列基气体传感器元件及其制备方法。

背景技术

近年来，日益恶化的大气环境以及人类对自身生存环境安全标准的日趋提高使各种能够对痕量气体快速准确检测的高性能气体传感器的发展日趋迫切。当今，工业化水平在快速发展的同时产生了大量有毒有害气体(如NO₂、NO、H₂S、CO、SO₂等等)，严重污染了环境并对人类健康造成明显威胁。例如，由汽车尾气和工业排放产生的NO_x类有毒气体易形成酸雨和光化学烟雾，腐蚀污染环境的同时，还能造成呼吸道疾病，严重危及人类身体健康。因此发展高效且能够准确检测各种有毒有害气体的传感器刻不容缓。

一维硅纳米线在室温下对多种气体分子具有好的敏感性能，是一种典型的室温敏感材料，在低功耗传感器件中具有很好的发展前景。为了形成具有较好敏感性能的硅纳米线有序阵列，金属辅助的化学刻蚀是一种简单且高效的制备方法。特别地，硅纳米线以及该种硅纳米线的制备工艺具有与硅芯片电路和CMOS器件高度集成兼容的独特优势，因此，硅纳米线有序阵列气体传感器在低功耗传感网络及微传感器阵列集成系统领域极具发展应用前景。然而，利用液相化学刻蚀制备的有序硅纳米线阵列具有阵列密度过高、比表面积有限的缺点，从而制约了硅纳米线基气体传感器的室温敏感性能，其低的室温灵敏度和慢的响应恢复特性已成为了硅纳米线气体传感器继续发展和应用的瓶颈，特别是对ppb级稀薄气体室温响应信号微弱的缺点更是难以满足当前对传感器探测极限不断降低的需求。为了达到或满足各种传感器网络和集成系统对传感器元件的性能要求，必须对硅纳米线进行进一步的改性处理，通过改性调控表面气体吸附与反应性能，以显著改善器件的敏感性能，在室温下实现对痕量气体的快速高灵敏度高选择性响应。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种具有超高室温灵敏度和超快室温响应特性的硅纳米线有序阵列基气体传感器元件及其制备方法，旨在显著改善硅纳米线阵列基气体传感器的灵敏度、响应速度、探测极限等室温气体敏感性能，实现传感器对NO₂气体的超高室温灵敏和超快室温响应；通过提供一种Ag纳晶修饰改性和表面粗糙化结构改性的硅纳米线双重改性工艺方法，获得一种具有超高室温灵敏度和超快室温响应性能的基于改性硅纳米线的气体传感器；该发明为发展与CMOS工艺兼容的、具有高室温敏感性能的硅基气体传感器研究提供了一种有效的工艺增感路线，具有重要的科学研究价值与实际应用前景。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种具有超高室温灵敏度和超快室温响应特性的硅纳米线气体传感元件，包含p型或者n型单晶硅片基底和铂电极，在单晶硅片基底与铂电极之间设置兼具Ag纳晶修饰改性和粗糙表面结构改性的硅纳米线阵列敏感层。

硅纳米线阵列敏感层的比表面积为20—25m²/g。

硅纳米线阵列敏感层采用Ag辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的同时实现纳米线表面Ag钠晶修饰，通过四甲基氢氧化铵(TMAH)二次刻蚀粗糙化上述硅纳米线表面实现进一步的结构改性并同时实现Ag钠晶的表面重分布。

具有高室温灵敏度和快速室温响应特性的硅纳米线气体传感元件的制备方法，按照下述步骤进行：