[发明专利]多孔硅基氧化钨薄膜复合材料气敏传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔硅基氧化钨薄膜复合材料气敏传感器及其制备方法和应用，由多孔硅基底、Pt膜电极、多孔硅基氧化钨敏感层和其上的方形的Pt电极组成，所述的多孔硅基氧化钨敏感层由多孔硅层和恒电位电化学沉积在其上的氧化钨(WO₃)薄膜组成。本发明通过在多孔硅基底制备欧姆接触电极，然后利用电化学法在多孔硅上原位生长WO₃颗粒薄膜的方法较为简单，所需控制的工艺条件较少，成本低廉；制备出的多孔硅基氧化钨薄膜复合材料气敏传感器可在室温下探测低浓度二氧化氮气体，具有灵敏度较高、响应/恢复性能较好、选择性和重复性好的特点。

技术领域

本发明属于气敏传感器领域，特别是涉及一种用于室温下检测二氧化氮气体的多孔硅基 氧化钨薄膜复合材料气敏传感器及其制备方法和应用。

背景技术

高速发展的现代工业带来巨大便利的同时也带来了环境污染问题，大气污染作为环境污 染中的一个主要问题引起了社会各界的广泛关注，每年进入大气的污染物数量十分惊人，种 类繁多，已发现有明显危害或已受到人们注意的大致有一百多种，其中对环境质量影响较大 的有含氮化合物、含硫化合物、悬浮颗粒物(SPM)、碳的氧化物、碳氢化合物、光化学氧化 剂等。

大气中的二氧化氮(NO₂)气体主要来源于汽车尾气和工业废气等污染源，会造成大气、 水及土壤污染，是造成酸雨的主要原因之一，还能使水体酸化、富营养化，严重污染环境， 同时NO₂能引起肺水肿等呼吸疾病，对人类的健康构成了极大的威胁。研发出能够对NO₂等 有毒有害气体进行快速有效检测的新一代高性能气敏传感器已经凸显出其重要意义。然而， 目前市场化的气敏传感器多是以氧化铝陶瓷等作为基底的低维金属氧化物(ZnO、SnO₂、WO₃等)微纳米材料气敏传感器，普遍存在着工作温度较高(约200-400℃)、功耗较大、不利于 传感器的微小型化、不能与硅基集成电路系统工艺兼容等缺点。因此，降低气敏传感器的工 作温度(甚至实现室温工作)，发展低功耗易集成的气敏传感器成为该领域的重要研究方向， 如今，实现对低浓度NO₂的室温探测仍然是一项极富挑战性的课题。

目前，硅基多孔硅(PS)被认为是最具有发展前景的室温气敏材料之一。首先，由微纳 米硅原子簇为骨架的多孔硅因其巨大的比表面积而在室温下对NO₂、NH₃等多种气体具有气 敏性能，这对于降低器件的工作温度和功耗，提高器件的稳定性和可靠性非常重要；其次， 硅基多孔硅可以作为基底担载其它的微纳米气敏材料构建与硅基集成电路系统相兼容的微纳 气敏传感器；第三，多孔硅的制备工艺简单，成本低廉，可以在含氢氟酸的电解液中以电化 学腐蚀法制备出来。然而，由于难以满足高孔隙率与孔道有序性共存导致多孔硅无法兼具高 气敏灵敏度与优良的气体响应/恢复性能以及多孔硅的气敏选择性能和稳定性能较差等，这些 问题限制了多孔硅气敏传感器的实际应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种多孔硅基氧化钨(WO₃)薄膜复合材料气 敏传感器及其制备方法和应用，利用双槽电化学腐蚀法制备多孔硅，并以电化学法在其表面 可控生长WO₃薄膜，构建多孔硅基氧化钨(WO₃)薄膜复合材料气敏传感器，能够实现在室 温下对NO₂气体的高灵敏度、快速响应/恢复特性、高选择性及强稳定性的检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：