CN101290302A - 基于单根金属氧化物纳米线场效应管的微腔气敏传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米与气敏传感器技术领域，具体涉及一种场效应管的微腔气敏传感器。该传感器采用在微腔内基于单根金属氧化物纳米线的气敏芯片设计，其中，纳米线材料可以是ZnO、SnO2、TiO2或In2O等。本发明的气敏传感器灵敏度高、响应速度快，无需外加热历而功耗小；可利用栅极电压来调制灵敏度和选择性；便于与其它分离装置结合作选择性探测。可用于O2、NO2、CO、H2、甲醛和酒精等气体的检测。

Description

基于单根金属氧化物纳米线场效应管的微腔气敏传感器
技术领域
本发明属于纳米与气敏传感器技术领域，具体涉及一种场效应管的微腔气敏传感器。
背景技术
众所周知，探测O2以及有毒和易燃气体如NO2、CO、H2、甲醛和酒精气体等的气敏传感器在日常生活、工业生产、生物和医疗、环境保护、反恐防灾、军事国防等诸多方面有着广泛的应用。使用的材料常见的有ZnO[1]，SnO2[2]，In2O3[3]…以及它们的掺杂物等。但不管是已经商用的还是研究文献，涉及的绝大多数是块材料、薄膜或厚膜(包括由纳米结构组成的厚膜)材料。它们工作时的气体腔较大(大多为几十甚至几百立方厘米)，这就大大影响了它们的响应速度。另外它们的工作温度太高(大多为200-500℃)，这样工作时功耗过大，使用不便，一些场合甚至根本不能使用。
另一方面，最近以ZnO纳米线为代表的一维纳米材料的研究引起了国际上的广泛瞩目。科学家们制备了一系列晶格结构完美的ZnO纳米线、纳米带、纳米环等，并研究了它们在光电探测、紫外激光、太阳能转化、纳米机械发电等方面的应用[4-6]。同时也有许多利用ZnO(或掺杂后)的纳米结构作为气敏传感的研究报道[7-8]，但基本上都是利用厚膜的形式，同样存在上述工作温度高、响应速度慢等问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种响应速度快、灵敏度高、功耗小的场效应微腔气敏传感器。
本发明设计的场效应晶体管(FET)微腔气敏传感器，由气敏芯片1、金丝引线2、管座3和玻璃盖4组成，其结构如图1所示。其中，气敏芯片1粘结在管座3上，由金丝引线2引出电极，玻璃盖4与管座3封结，中间形成一微腔(约为0.6-10cm3)，两端由细管5引出，用以导入待探测气体。
本发明中，所述的气敏芯片1的结构原理见图2所示。它由金属氧化物纳米线、方块矩阵电极和基底组成，其中，单根金属氧化物纳米线8压在由光刻制备的方块矩阵电极下，两端作场效应管的源极6和漏极9，基底10采用P+硅片，作为场效应管的栅极，基底10上面表面制备有氧化层7。
本发明中，所述的金属氧化物纳米线8的材料可以是ZnO、SnO2、TiO2、In2O3等。所述氧化层7的材料可以是SiO2、Si3N4、Al2O3等。
本发明设计的微腔气敏传感器具有如下特点：
a.单根的纳米线FET可设置在非常微小的腔体内，由于腔体小(即背景气体体积小)，只要极少量的被测气体进入就能快速与功能部分作用(可以作痕量探测)，因而响应速度大大提高，恢复时间也能大大缩短；
b.单根纳米线容易与电极形成良好接触；
c.利用纳米线高比表面和高表面活性的特点，可提高测试灵敏度；
d.利用工作电流作为自加热，而且由于纳米线所需工作电流非常小(通常为几纳安数量级)，因此功耗非常小；
e.可利用栅极电压来调制灵敏度、选择性等。
f.便于与其它分离装置结合作选择性探测。
此外，同一个微腔内可以并行制备多个气敏芯片器件，一方面可以作为备用，另一方面可对多个器件同时施加不同工作电流，利用不同气体的探测所需工作温度不同的特点，有望同时检测几种气体.
附图说明
图1为蒸汽法制备的ZnO纳米线的照片。
图2为本发明的微腔气敏传感器结构图示。
图3为基于单根金属氧化物纳米线的气敏芯片结构原理图。
图4为单根ZnO纳米线的气敏特性。其中，(A)不同氧气浓度下的电流变化(B)氧气气敏响应特性(C)酒精气敏响应特性。
图5为气敏传感器的湿敏特性，其中，(a)为微腔中不同湿度下样品电阻改变情况，(b)为环境温度变化时的影响特性。
图中标号：1.气敏芯片，2.金引线，3.管座，4.密封盖，5.导气管，6.金电极(源)，7.氧化层，8.纳米线，9.金电极(漏)，10.P+硅片。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
1、器件制备
本实施例材料用单根ZnO纳米线作为气敏材料，基底的氧化层7采用SiO2，器件的制备分为气敏芯片的制备和气敏元件的封装两步。
气敏芯片的制备：
(1)采用蒸气俘获化学气相沉积法[4]制备出ZnO纳米线8(如图1所示)。
(2)采用P+硅片作为基底10，其表面制备一层100-500纳米厚的氧化层7。
(3)将已制得的纳米线用酒精分散后滴洒在基底表面上。
(4)在基底上旋涂1.5微米-3微米的光刻胶，在方块矩阵电极模版下曝光后显影。
(5)在已得样品上沉积一层100-200纳米厚度的Au/Ti或Au/Ni电极，具体的电极厚度视纳米线的直径而定
(6)进行剥离，得到所需光刻图形，其中方块矩阵电极之间的间隔在2-10微米。
气敏芯片制得后经过一定的封装制得基本气敏传感器元件，具体制备过程如下：
(1)通过SEM扫描定位可以使用的电极下压有纳米线的基底区域；
(2)将气敏芯片用银浆粘合在管座3上，并通过金丝球焊引出相应电极3；
(3)管座3上用玻璃4经由硅橡胶封结成密闭空间，并留出两端导管5供气体引入。
制备好的器件由导气管通入待测气体，管座接入相应电路回路。通过检测回路电流的变化，即得到器件的气敏和湿敏特性。
2、样品器件的测试
初步测试表明单根ZnO纳米线具有以下传感特性：
(1)对氧气、酒精气体等氧化/还原性气体具有气敏特性(见图4)
(2)湿度灵敏特性(图5)
图4为实施例传感器件的气敏特性测试结果。
其中(A)为栅电压Vg＝0V时，微腔中O2浓度分别为0ppm、250ppm、500ppm、750ppm、1000ppm条件下器件的源漏电压和电流之间关系。随着氧气浓度的增加相同电压条件下样品的电流减少。
(B)为重复加入浓度为500ppm的氧气时器件的响应特性。其中灵敏度的定义为|R1-R0|/R0(R1为加入气体后样品的电阻，R0为加入气体前样品的电阻)，氧气在时间到达ON处加入，在OFF处被抽出。
(C)为重复加入浓度为500ppm的酒精气体时器件的响应特性。B和C的测试中Vg均为0V。
图5为实施例传感器件的湿敏特性。
(a)为微腔中不同湿度条件下样品电阻的改变，湿度环境的产生使用标准饱和盐溶液法：将微腔分别连接到装有20℃的饱和MgCl2、Mg(NO3)2、NaBr溶液以及水的密闭容器，等待气相平衡后，微腔的湿度分别为33％、54％、59％、100％。
(b)为环境湿度改变时器件的响应特性。灵敏度定义同气敏特性的测试，在ON处加入予先配得的100％湿度的空气，在OFF处抽出气体。
参考文献
[1]Baratto C，Sberveglieri G，Onischuk A，Caruso B and Stasio S D，Sensors Actuators B，2004100 261
[2]Liu Y，Koep E and Liu ML，CHEMISTRY OF MATERIALS，2005，17 3997
[3]Chu XF，Wang CH，Jiang DL and Zheng CM，CHEMICAL PHYSICS LETTERS，2004，399 461
[4]Huang，Michael H.，Mao，et al.Science，2001，292 5523
[5]Lori E.Greene，Benjamin D.and Peidong Yang，Inorg.Chem.，2006，45 7535
[6]Zhong Lin Wang，et al.，Science，2006，312 242
[7]J X Wang，X W Sun，Y Yang，H Huang，Y C Lee，O K Tan and L Vayssieres，NANOTECHNOLOGY，2007，17 4995
[8]Yongsheng Zhang，Ke Yu，Desheng Jiang，Ziqiang Zhua，Haoran Genge，Laiqiang Luo，Applied Surface Science，2005，242 212。

Claims (4)

1、一种基于单根金属氧化物纳米线场效应晶体管的微腔气敏传感器，其特征在于由气敏芯片(1)、金丝引线(2)、管座(3)和玻璃盖(4)组成，其中，气敏芯片(1)粘结在管座(3)上，由金丝引线(2)引出电极，玻璃盖(4)与管座(3)封结，中间形成一微腔，两端由细管(5)引出，用以导入待探测气体；
所述的气敏芯片(1)由金属氧化物纳米线、方块矩阵电极和基底组成，其中，单根金属氧化物纳米线(8)压在由光刻制备的方块矩阵电极下，两端作场效应管的源极(6)和漏极(9)，基底(10)采用P+硅片，作为场效应管的栅极，基底(10)上面表面制备有氧化层(7)。
2、根据权利要求1所述的基于单根金属氧化物纳米线场效应晶体管的微腔气敏传感器，其特征在于所述的金属氧化物纳米线(8)的材料为ZnO、SnO2、TiO2或In2O3，或它们的掺杂物。
3、根据权利要求1所述的基于单根金属氧化物纳米线场效应晶体管的微腔气敏传感器，其特征在于所述氧化层(7)的材料为SiO24、Si3N4或A12O3。
4、根据权利要求1所述的基于单根金属氧化物纳米线场效应晶体管的微腔气敏传感器，其特征在于所述微腔内有平行的多个气敏芯片器件。
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Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101935010A (zh) * 2010-09-07 2011-01-05 上海交通大学 基于聚酰亚胺柔性基底碳纳米管鼻管式气敏传感器的制备方法
CN101943676A (zh) * 2009-07-01 2011-01-12 罗伯特.博世有限公司 废气传感器装置、发动机控制装置以及发动机控制方法
CN102080268A (zh) * 2010-12-07 2011-06-01 吉林大学 有序排列In2O3纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器
CN102621210A (zh) * 2012-04-01 2012-08-01 东北师范大学 以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法
CN102680540A (zh) * 2012-06-07 2012-09-19 惠州市富济电子材料有限公司 甲醛气敏材料及相应的甲醛气敏元件、该元件的制作方法
CN103296204A (zh) * 2013-06-09 2013-09-11 南昌大学 基于单根一维纳米结构材料的压力响应存储器件及制备方法
WO2013170418A1 (zh) * 2012-05-14 2013-11-21 山西潞安矿业(集团)有限责任公司 煤化工压缩机密封组件检修管理***
CN103427020A (zh) * 2013-07-29 2013-12-04 南昌大学 一种基于一维微纳米材料薄膜结构的应力写入型数据存储器件及其制备方法
CN103928482A (zh) * 2014-03-31 2014-07-16 上海新储集成电路有限公司 一种cmos纳米线晶体管结构及制备方法
CN104458825A (zh) * 2014-10-22 2015-03-25 武汉工程大学 氧气气敏元件及其检测方法
CN104851900A (zh) * 2015-04-13 2015-08-19 南昌大学 一种基于场效应管结构的阻变存储器及制备方法
CN105699463A (zh) * 2015-08-27 2016-06-22 索武生 一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法
CN107407655A (zh) * 2014-10-31 2017-11-28 南洋理工大学 含有铜基掺杂剂的氧化铟纳米线、其形成方法和含有该氧化铟纳米线的气体传感器及形成多个含有金属酞菁的纳米线的方法、纳米线装置和含有多个金属酞菁纳米线的气体传感器
CN109437278A (zh) * 2018-12-04 2019-03-08 复旦大学 一种基于氧化铜-氧化锡核壳纳米线结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用
CN109813760A (zh) * 2019-02-28 2019-05-28 江苏理工学院 一种氧化锌纳米线气体传感器及其制备方法
CN110095490A (zh) * 2019-04-17 2019-08-06 北京工业大学 一种检测四针状氧化锌晶须电导特性的器件及方法
CN110174442A (zh) * 2019-07-11 2019-08-27 苏州大学 二氧化钛基气体传感器及其制备方法
CN110243507A (zh) * 2019-06-24 2019-09-17 中南林业科技大学 可擦除非易失性SiC纳米线应力感知器及其制备方法
CN112881478A (zh) * 2021-01-20 2021-06-01 苏州大学 基于硅微/纳米线的微型化双功能气流传感器及其制备方法
WO2021189718A1 (zh) * 2020-03-26 2021-09-30 合肥微纳传感技术有限公司 Mems气体传感器及其阵列、气体检测和制备方法
CN115047044A (zh) * 2022-06-10 2022-09-13 湖北工业大学 一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置及方法

Cited By (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101943676A (zh) * 2009-07-01 2011-01-12 罗伯特.博世有限公司 废气传感器装置、发动机控制装置以及发动机控制方法
CN101935010A (zh) * 2010-09-07 2011-01-05 上海交通大学 基于聚酰亚胺柔性基底碳纳米管鼻管式气敏传感器的制备方法
CN102080268A (zh) * 2010-12-07 2011-06-01 吉林大学 有序排列In2O3纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器
CN102621210A (zh) * 2012-04-01 2012-08-01 东北师范大学 以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法
WO2013170418A1 (zh) * 2012-05-14 2013-11-21 山西潞安矿业(集团)有限责任公司 煤化工压缩机密封组件检修管理***
CN102680540B (zh) * 2012-06-07 2014-06-18 惠州市富济电子材料有限公司 甲醛气敏材料及相应的甲醛气敏元件、该元件的制作方法
CN102680540A (zh) * 2012-06-07 2012-09-19 惠州市富济电子材料有限公司 甲醛气敏材料及相应的甲醛气敏元件、该元件的制作方法
CN103296204A (zh) * 2013-06-09 2013-09-11 南昌大学 基于单根一维纳米结构材料的压力响应存储器件及制备方法
CN103427020B (zh) * 2013-07-29 2016-04-13 南昌大学 一种基于一维微纳米材料薄膜结构的应力写入型数据存储器件及其制备方法
CN103427020A (zh) * 2013-07-29 2013-12-04 南昌大学 一种基于一维微纳米材料薄膜结构的应力写入型数据存储器件及其制备方法
CN103928482A (zh) * 2014-03-31 2014-07-16 上海新储集成电路有限公司 一种cmos纳米线晶体管结构及制备方法
CN104458825A (zh) * 2014-10-22 2015-03-25 武汉工程大学 氧气气敏元件及其检测方法
CN107407655A (zh) * 2014-10-31 2017-11-28 南洋理工大学 含有铜基掺杂剂的氧化铟纳米线、其形成方法和含有该氧化铟纳米线的气体传感器及形成多个含有金属酞菁的纳米线的方法、纳米线装置和含有多个金属酞菁纳米线的气体传感器
CN104851900B (zh) * 2015-04-13 2019-06-18 南昌大学 一种基于场效应管结构的阻变存储器及制备方法
CN104851900A (zh) * 2015-04-13 2015-08-19 南昌大学 一种基于场效应管结构的阻变存储器及制备方法
CN105699463A (zh) * 2015-08-27 2016-06-22 索武生 一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法
CN105699463B (zh) * 2015-08-27 2018-06-12 索武生 一种化学场效应晶体管气敏传感器及其制造方法
CN109437278A (zh) * 2018-12-04 2019-03-08 复旦大学 一种基于氧化铜-氧化锡核壳纳米线结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用
CN109813760A (zh) * 2019-02-28 2019-05-28 江苏理工学院 一种氧化锌纳米线气体传感器及其制备方法
CN110095490A (zh) * 2019-04-17 2019-08-06 北京工业大学 一种检测四针状氧化锌晶须电导特性的器件及方法
CN110243507A (zh) * 2019-06-24 2019-09-17 中南林业科技大学 可擦除非易失性SiC纳米线应力感知器及其制备方法
CN110174442A (zh) * 2019-07-11 2019-08-27 苏州大学 二氧化钛基气体传感器及其制备方法
WO2021189718A1 (zh) * 2020-03-26 2021-09-30 合肥微纳传感技术有限公司 Mems气体传感器及其阵列、气体检测和制备方法
CN112881478A (zh) * 2021-01-20 2021-06-01 苏州大学 基于硅微/纳米线的微型化双功能气流传感器及其制备方法
CN112881478B (zh) * 2021-01-20 2022-07-15 苏州大学 基于硅微/纳米线的微型化双功能气流传感器及其制备方法
CN115047044A (zh) * 2022-06-10 2022-09-13 湖北工业大学 一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置及方法

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