[发明专利]基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法，气体传感器包括衬底、绝缘层、有源层、源极和漏极，所述绝缘层设置在所述衬底和有源层之间，所述源极和漏极分别间隔设置在所述有源层远离所述绝缘层的一侧，所述有源层的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维，易于和VOC气体发生化学反应，增强了气体检测反应速度和灵敏度，且比表面积大，增加了感应面积，可在相同的反应速度级别和灵敏度精度下将传感器尺寸做的更小，而且二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维通过静电纺丝技术制备，制备方法简单，静电纺丝装置工艺简单、生产效率高，有利于气体传感器在消费电子中的应用，以及在更多应用场景中的普及。

技术领域

本发明涉及气体传感器领域，具体涉及一种基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法。

背景技术

工业革命推动了社会的快速发展，但同时也造成了大气环境的污染。随着人们生活水平的提高，对空气质量要求也越来越高，并且气体检测也关乎着人们在特殊工作环境中的安全，而VOC(volatile organic compounds，挥发性有机化合物)是影响人们健康的主要污染气体，因此迫切需要相关的VOC检测气体传感器。目前大多数用于检测VOC的气体传感器采用薄膜作为检测的感应部分，但是薄膜的比表面积小，造成了产品检测精度低，反应速度慢。同时，用薄膜作为感应部分，为了提高反应灵敏度和准确度，需增大薄膜的面积，以提高检测精度和速度，但这无疑造成了器件面积的增加，对于集成度越来越高、尺寸越来越小的消费电子产品的应用是不利的。还有一些气体传感器采用刻蚀法增加感应部分与检测气体的接触面积，但这就增加了工艺的复杂性和制造成本，不利于产品在消费电子中的应用。因此，检测精度低、反应速度慢、器件尺寸大和工艺复杂是传统的气体传感器存在的致命缺点。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法，旨在解决现有用于检测VOC的气体传感器存在检测精度低、反应速度慢、器件尺寸大以及工艺复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于场效应晶体管的气体传感器，包括衬底、绝缘层、有源层、源极和漏极，所述绝缘层设置在所述衬底和有源层之间，所述源极和漏极分别间隔设置在所述有源层远离所述绝缘层的一侧，所述有源层的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维。

优选地，所述衬底的材料为重掺杂p型硅。

优选地，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氧化锆、氧化铪、氧化铝或氧化钇中的任意一种，所述漏极和源极的材料为金或铝。

优选地，所述衬底的厚度为0.2～1mm，所述绝缘层的厚度为60～300nm，所述有源层的厚度为20～80nm，所述源极和漏极的厚度分别为70～500nm。

优选地，所述二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维的直径为30～150nm，比表面积为10⁷～10⁸m²/m³。

优选地，所述气体传感器为底栅顶接触式结构。

此外，本发明还提供了一种用于制备上述所述基于场效应晶体管的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

在所述衬底上制备得到所述绝缘层；

将钛盐或锌盐用溶剂溶解得到金属盐溶液，将金属盐溶液与聚合物混合形成静电纺丝前驱体溶液，通过静电纺丝装置在所述绝缘层上制备得到复合纳米纤维，经退火处理后，得到二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维形成的所述有源层；

在所述有源层上沉积所述源极和漏极。

优选地，所述钛盐为四氯化钛，所述锌盐为氯化锌，所述溶剂为二甲基甲酰胺或乙二醇甲醚，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯吡咯烷酮，所述钛盐或锌盐与所述溶剂的摩尔比为1:100～16:100，所述聚合物与所述金属盐溶液的摩尔比为1:20～1:3。