[发明专利]制备氧化铁烟敏薄膜的方法

说明书

本发明属于气敏传感技术领域。

现有的气敏器件主要有烧结型气敏元件，离子敏感烟探测器和红外烟雾探测器等。如日本松下公司生产的烧结型γ-Fe₂O₃气敏传感器，国内哈尔滨通江晶体管厂生产的烧结型氧化铁系及氧化锡系气敏传感器，核工业部262厂生产的离子敏感烟探测器，西安交大研制的红外烟雾探测器等。这些器件和探测器都不同程度地存在有一定的缺陷，如烧结型气敏元件选择性较差，不是对烟雾不敏感就是不能将烟雾与H₂、LPG、CH₄、C₂H₅OH等杂气加以区分，易形成误报误测，离子敏感烟探测器由于采用价格昂贵的同位素进行探测，再经微电流放大（约10^-13A），因此工艺复杂，要求精度高，其成本也高（每只探头售价约300元），使推广应用受到限制;红外烟雾探测器同样也存在结构复杂和成本高昂等不足。因此，将敏感材料薄膜化，不仅能大幅度提高灵敏度、选择性、响应恢复时间，而且在薄膜材料元件化后，可以进一步提高其一致性，重复性，缩小元件体积，降低成本和功耗。但目前敏感材料薄膜化的研究主要集中在氧化锡系列，如天津大学电子工程系，中科院合肥智能机械所等单位所进行的研究，这种薄膜由于采用四氯化锡为源物质，因此存在对烟雾敏感性差（甚至不敏感）并对膜的生长系统具有腐蚀性等不足。

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提供一种灵敏度高，选择性好，响应恢复速度快、工艺简单、成本低廉，且对成膜系统无危害的氧化铁烟敏薄膜的制备方法。

实现本发明目的所采用的技术方法是采用常压化学气相淀积法，用金属有机化合物五羰基铁[Fe（CO）₅]为源物质，以氩气或氮气为载气，携带源物质与氧气进行反应生长氧化铁薄膜，淀积在衬底上形成烟敏薄膜。对于制备掺杂的α-氧化铁烟敏薄膜，应在薄膜的生长过程中对氧化铁薄膜进行有效的掺杂。该常压化学气相淀积系统装置如图1所示。图中（1）为测、控温仪，（2）为反应室，（3）为衬底，（4）为混气瓶，（5）为五羰基铁源，（6）、（7）、（8）为干燥剂，（9）、（10）、（11）为流量计，（12）为杂质源，（13）为阀门（用以控制是否对样品进行掺杂）。对于非、掺杂样品，其工艺条件为：

衬底温度：80～150℃

载气（Ar）流量：100～200ml/分

氧气（O₂）流量：50～150ml/分

沉积时间：10～20分。

对于掺杂样品，其工艺条件为：

衬底温度：80°-150℃

载气（Ar）流量：源：100～200ml/分

杂质：～25ml/分

氧气流量O₂：50～150ml/分

沉积时间：10～20分

本发明的操作方法：

1.将高纯Al₂O₃陶瓷基片或玻璃片、附有SiO₂层的硅片作为衬底基片，并在此衬底基片上制作出叉指状（又称梳状）电极，即采用厚膜工艺，将以钯-银浆料为原料的电极印上，再经烘干送入传送式烧结炉烧结，其温度-时间关系如图2所示。制成的基片外形如图3所示。

2.将已制备电极的衬底在有溶剂（丙酮及乙醇）浸泡下超声清洗，再用去离子水反复冲洗，并在90°～110°条件下烘干备用。

3.用金属有机化合物五羰基铁[Fe（CO）₅]作为化学气相淀积的反应源物质，通过控制可以分别制备出非掺杂或掺入Sn，Ti，Zr，Sn+Ti，Ti+Zr等其中任意一种（或两种）杂质的氧化铁烟敏薄膜。对于非掺杂氧化铁烟敏薄膜，其化学反应式为：

在衬底上制备出颜色为红棕色，厚度可控的多晶态氧化铁薄膜。

以下给出本发明的几种实施例：

实例1：

衬底材料：玻璃基片

衬底温度：95℃

淀积时间：13分

氧气流量（O₂）：-120ml/分

载气流量（Ar）“-160ml/分

在此条件下制备的氧化铁烟敏薄膜，分析测量结果表明，其薄膜是膜厚为2700的非晶质α-Fe₂O₃薄膜。

实例2：

衬底材料：硅片

衬底温度：105℃