[发明专利]一种半导体气敏传感器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种半导体气敏传感器及其制备方法，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。本发明的高低起伏的有序结构提高了气敏薄膜与气体之间的相互作用面积，气敏薄膜沉积在金属纳米阵列上，通过调整金属纳米阵列的排布方式可以实现气敏薄膜结构的有效调控，有效提高了气敏薄膜检测气体的灵敏度。

技术领域

本发明属于微型薄膜气敏传感器制备技术领域，涉及一种半导体气敏传感器及其制备方法。

背景技术

随着人们对环保的日益重视，建设环境物联网有效监测有毒、可燃、易爆等气体成为必要，对气体传感器提出了高性能、微型化、多功能化等更高要求。近二十年来，纳米新材料研制技术发展迅速，特别是各种氧化物半导体纳米材料，如纳米线、纳米棒、纳米花、空心球或海绵状的多孔结构、异质结等等；将这些新颖的气敏材料涂覆或印刷到传统的传感器基底上(陶瓷管或带有加热板的平面基底)制备的气敏传感器灵敏度和选择性高、响应迅速，例如CN105152202A公开了一种锑掺杂花球状二氧化锡气敏材料的准备方法，该制备方法具体包括以氯化亚锡、三氯化锑和氢氧化钠为原料，以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，经水热反应、煅烧处理，得到锑掺杂花球状二氧化锡气敏材料。然而，此类基于传统基底的气敏传感器具有体积大、功耗较高、一致性差等缺点。

近年来，微机电加工(MEMS)技术的发展和普及推动气敏传感器的基底转向悬空的“微加热盘”结构，这种新型结构在基底背面设计了隔热腔，能够有效降低功耗，如CN104034759A公开了一种MEMS半导体气体传感器，包括具有中空部的衬底和形成于衬底上的感测模块，所述感测模块包括依次层叠设置的第一绝缘层、加热电阻、第二绝缘层、测试电极和气体敏感层:所述传感器还包括控制模块和温度检测模块，温度检测模块、加热电阻和测试电极分别与所述控制模块连接：温度检测模块用于检测环境温度并将环境温度反馈至控制模块，控制模块根据环境温度调整加热电阻的加热功率，进而控制气体敏感层的温度至所需的工作温度，促成了气敏传感器的集成化和智能化。然而，将纳米材料制成浆料涂覆或印刷在微加热盘上难度很大，主要体现在两个方面：(1)涂覆或印刷过程容易破坏微加热盘上的悬空结构，成品率极低；(2)制备的气敏传感器一致性和批次稳定性差，难以保证产品质量。结合MEMS工艺中溅射镀膜技术(磁控或射频溅射)能够实现气敏材料的大面积均匀沉积，制作气敏薄膜。但是，溅射法制作的气敏膜表面非常致密，气体分子只能和表层材料接触，气敏性能较差。因此，调控MEMS工艺制备敏感膜的表面结构，提高薄膜型氧化物半导体气敏传感器的性能是当前技术的关键和难点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体气敏传感器及其制备方法。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种半导体气敏传感器，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。

本发明提供的半导体气敏传感器包括的气敏薄膜沉积在金属纳米颗粒阵列上，通过金属纳米颗粒阵列使气敏薄膜具有高低起伏的有序结构，相较于传统致密的氧化物半导体薄膜的平面结构，本发明的高低起伏的有序结构提高了气敏薄膜与气体之间的相互作用面积，气敏薄膜沉积在金属纳米阵列上，通过调整金属纳米阵列的排布方式可以实现气敏薄膜结构的有效调控，有效提高了气敏薄膜检测气体的灵敏度。

在本发明中，所述气敏薄膜为氧化物薄膜。

优选地，所述氧化物膜为本征或掺杂的氧化锡薄膜、本征或掺杂的氧化钨薄膜、本征或掺杂的氧化锌薄膜或本征或掺杂的氧化镍薄膜中的任意一种或至少两种的组合，如本征氧化锡和本征氧化镍的组合、本征氧化锡和掺杂的氧化钨的组合、本征的氧化钨和掺杂的氧化锌的组合等。所述组合典型但非限制性，其他本领域常用的可达到相同技术效果的氧化物半导体气敏薄膜也可用于本发明。