CN109030564B - 一种晶体管型甲醛传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种晶体管型甲醛传感器及其制作方法，其中，所述晶体管型甲醛传感器包括基底、设置在所述基底上的栅电极、设置在所述栅电极上的介电层、设置在所述介电层上的复合薄膜、设置在所述复合薄膜上的源电极和漏电极，所述复合薄膜为吸附有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜。本发明所提供的晶体管型甲醛传感器对甲醛具有特异性选择性且抗干扰性强，解决了现有技术中甲醛传感器稳定性、选择性较差的问题。

Description

一种晶体管型甲醛传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器器件领域，尤其涉及一种晶体管型甲醛传感器及其制作方法。

背景技术

甲醛传感器作为一种半导体气体传感器，是家居环境检测中重要的气敏原件，但是现有的有甲醛传感器选择性都不高，虽然其具有大部分半导体气体传感器具有的制作简单、成本低、使用方便、易于与测试***配套、便于更换、可以直接将气体浓度转换成电信号等优点，但实际应用中也存在着稳定性和选择性差、敏感机理复杂、工作温度高、寿命短等缺点，如何提高这类传感器的综合性能成了研究这一类传感器的工作重点。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种晶体管型甲醛传感器及其制作方法，旨在解决现有技术中甲醛传感器稳定性、选择性较差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种晶体管型甲醛传感器，其中，包括基底、设置在所述基底上的栅电极、设置在所述栅电极上的介电层、设置在所述介电层上的复合薄膜、设置在所述复合薄膜上的源电极和漏电极，所述复合薄膜为吸附有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜。

所述的晶体管型甲醛传感器，其中，所述复合薄膜中，金属纳米颗粒通过静电吸附在氧化锌薄膜上。

所述的晶体管型甲醛传感器，其中，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒和铂纳米颗粒中的一种或多种。

所述的晶体管型甲醛传感器，其中，所氧化锌薄膜由经碱金属元素掺杂改性的氧化锌制成。

所述的晶体管型甲醛传感器，其中，所述氧化锌薄膜中，碱金属元素与氧化锌的摩尔比为0.01：1~0.15：1。

所述的晶体管型甲醛传感器，其中，所述基底为柔性基底，所述栅电极为金属栅电极且所述介电层为氧化铝介电层。

一种晶体管型甲醛传感器的制作方法，其中，包括步骤：

提供基底，并在所述基底上形成栅电极；

在所述栅电极上沉积制备介电层；

提供氧化锌溶液，将所述氧化锌溶液涂覆在介电层上，退火形成氧化锌薄膜；

提供金属纳米颗粒，并对氧化锌薄膜进行带电修饰，然后将金属纳米颗粒通过静电作用吸附在氧化锌薄膜上，得到复合薄膜；

在复合薄膜上沉积形成源电极及漏电极，得到晶体管型甲醛传感器。

所述的晶体管型甲醛传感器的制作方法，其中，在将所述氧化锌前躯体溶液涂覆在栅电极上的步骤之前，还包括：

在氧化锌溶液中加入碱金属氢氧化物。

所述的晶体管型甲醛传感器的制作方法，其中，通过原子层沉积法在所述栅电极上沉积氧化铝制备介电层。

所述的晶体管型甲醛传感器的制作方法，其中，所述步骤对氧化锌薄膜进行带电修饰，包括：

利用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液对氧化锌薄膜进行浸泡处理，再通过甲苯冲洗浸泡处理后的氧化锌薄膜，然后在氮气气氛中干燥。

有益效果：本发明提供的晶体管型甲醛传感器，通过在介电层上设置复合薄膜，然后再在所述复合薄膜上设置源电极及漏电极，吸附有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜，复合薄膜能够改变晶体管的载流子浓度、表面态和器件运输能力，而由于金属纳米颗粒的修饰，使得复合薄膜对甲醛气体有特异性响应，从而实现器件的高选择性和抗干扰性，解决了现有技术中甲醛传感器稳定性、选择性较差的问题。

附图说明

图1为本发明晶体管型甲醛传感器的结构示意图。

图2为本发明晶体管型甲醛传感器的制作方法的较佳实施例流程图。

具体实施方式

本发明提供一种晶体管型甲醛传感器及其制作方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种晶体管型甲醛传感器，适于检测甲醛，其中，如图1所示，包括基底100、设置在所述基底100上的栅电极200、设置在所述栅电极200上的介电层300、设置在所述介电层300上的复合薄膜400、设置在所述复合薄膜400上的源电极500和漏电极600，所述复合薄膜400为吸附有金属纳米颗粒402的氧化锌薄膜401。本发明所述的晶体管型甲醛传感器，在介电层与源/漏电极之间设置吸附有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜，氧化锌薄膜上修饰的金属纳米颗粒对甲醛气体具有特异性响应效果，使得所述复合薄膜能够对甲醛气体作出特异性响应，从而使得器件在检测到甲醛气体时产生源漏电流的变化，从而达到传感的效果，也即特异性识别地检测出甲醛气体。

优选地，所述的晶体管型甲醛传感器中，所述复合薄膜400中，金属纳米颗粒402通过静电吸附在氧化锌薄膜401上。静电的吸附作用既能够将金属纳米颗粒固定在氧化锌薄膜上，也无需对金属纳米颗粒进行改性或通过加入其他基团来固定，从而避免了对金属纳米颗粒特异性响应甲醛气体的性能的破坏。

所述吸附在氧化锌薄膜401上的金属纳米颗粒402可以为金纳米颗粒、银纳米颗粒和铂纳米颗粒等对甲醛气体具有敏感特异性响应性能的金属纳米颗粒。

优选地，所氧化锌薄膜401由经碱金属元素掺杂改性的氧化锌制成，也即先通过碱金属掺杂改性用于制作氧化锌薄膜的氧化锌，碱金属的掺杂可以提高氧化锌的场效应迁移率，使得制备得到的FET晶体管的性能更佳。

更优选地，所述经过碱金属掺杂改性的氧化锌薄膜中，碱金属元素与氧化锌的摩尔比为0.01：1~0.15：1，制备得到的FET晶体管的性能尤佳。

所述的晶体管型甲醛传感器中，所述基底100为柔性基底，所述栅电极200为金属栅电极且所述介电层300为氧化铝介电层，而所述复合薄膜400也具有柔性，从而使得整个器件均具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性。

本发明所述的晶体管型甲醛传感器的性能，可以通过金属纳米颗粒种类、氧化锌掺杂浓度、氧化铝介电层厚度、复合薄膜厚度以及各个参数的不同组合来进行调节。

优选地，所述柔性基底为PDMS基底；所述栅电极为银金属栅电极；所述介电层30纳米厚氧化铝层；所述氧化锌纳米薄膜为碱金属掺杂的30纳米厚氧化锌纳米薄膜，且利用溶液旋涂的方法制备在基底上，然后将金属纳米颗粒静电吸附在薄膜上；金的源/漏电极将通过掩模版沉积在复合薄膜上。

更优选地，所述的金的源/漏电极沟道长度为50微米，宽度为1000微米，所制备得到的传感器电学性能尤佳。

本发明还提供了一种晶体管型甲醛传感器的制作方法，如图2所示，其中，包括步骤：

S1、提供基底，并在所述基底上形成栅电极；

S2、在所述栅电极上沉积制备介电层；

S3、提供氧化锌溶液，将所述氧化锌溶液涂覆在介电层上，退火形成氧化锌薄膜；

S4、提供金属纳米颗粒，并对氧化锌薄膜进行带电修饰，然后将金属纳米颗粒通过静电作用吸附在氧化锌薄膜上，得到复合薄膜；

S5、在复合薄膜上沉积形成源电极及漏电极，得到晶体管型甲醛传感器。

优选地，所述步骤S1中，将20-30nm的金属如Ag等以0.1nm/s的速度在10^-6Torr的真空度下以热蒸发的形式蒸镀在柔性基底如PDMS上，形成栅极电极。

所述步骤S2中，通过原子层沉积法在所述栅电极上沉积氧化铝制备介电层。优选地，所述氧化铝介电层厚度为30nm。

所述步骤S3中，需要先制备氧化锌溶液，优选的是通过溶液法制备，以降低制作成本，具体步骤为：将氧化锌溶解于氢氧化铵并冷藏5小时，以增加氧化锌的溶解度，然后将所述氧化锌溶液旋涂在介电层上，退火，即可形成氧化锌薄膜。进一步地，氧化锌薄膜旋涂速率为3000rpm，旋涂时间为30s，退火温度为200℃，退火时间为0.5小时。

优选地，控制氧化锌薄膜厚度为30nm。

更优选地，所述步骤S3中，可在氧化锌溶液中加入碱金属氢氧化物，以实现对氧化锌的掺杂改性，具体地，将去离子水和锂、钠、钾等的氢氧化物加入到氧化锌溶液中，提高氧化锌的场效应迁移率。其中，可以控制加入的碱金属氢氧化物和氧化锌的摩尔比为0.01：1~0.15：1。

所述步骤S4中，先制备金属纳米颗粒，并对步骤S3中的氧化铝薄膜进行带电修饰，以便于将属纳米颗粒通过静电作用吸附在氧化锌薄膜上，从而制备得到带有金属纳米颗粒的复合薄膜，所述步骤对氧化锌薄膜进行带电修饰，包括：利用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液对氧化锌薄膜进行浸泡处理，再通过甲苯冲洗浸泡处理后的氧化锌薄膜，然后在氮气气氛中干燥。所述3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液为3-氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液，对氧化锌薄膜浸泡45mins后，在利用甲苯冲洗三次，冲洗掉多余未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷分子，然后将整个器件置于氮气环境下干燥，完成氧化锌薄膜的带电处理；再将整个器件浸泡在金属纳米颗粒溶液中12h，此时，因为氧化锌薄膜上带有静电，因而金属纳米颗粒会通过静电的作用吸附在氧化锌薄膜上，形成目标复合薄膜，即带有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜。

所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒和铂纳米颗粒中的一种或多种；所述金纳米颗粒由四氯金酸溶液加热至100℃并加入柠檬酸钠反应10~60分钟（如30分钟）后冷却至室温制得，其中，较佳地，柠檬酸钠和四氯金酸的摩尔比例为3.78：1；所述银纳米颗粒由柠檬酸钠和硝酸银混匀并加入硼氢化钠反应10~60分钟（如30分钟）后冷却至室温得到，其中，较佳地，柠檬酸钠和硝酸银的摩尔比例为3.78：1；所述铂纳米颗粒由柠檬酸钠和铂四价盐混匀并加入硼氢化钠反应10~60分钟（如30分钟）后冷却至室温得到，其中，较佳地，柠檬酸钠和铂四价盐的摩尔比例为3.78：1。

所述步骤S5中，通过掩模版将20-30nm的金属如Au等以0.1nm/s的速度在10-6Torr的真空度下以热蒸发的形式蒸镀在所述复合薄膜上，形成源电极及漏电极，恻从而得到晶体管型甲醛传感器。优选地，控制所述的金的源/漏电极沟道长度为50微米，宽度为1000微米，所制备得到的传感器电学性能尤佳。

下面通过具体实施例对本发明作详细说明：

实施例1

在柔性PDMS基底之上将银以热蒸发的形式通过掩膜版形成栅电极，通过原子层沉积法在栅电极上制备30纳米厚氧化铝介电层；

将氧化锌溶解于氢氧化铵并冷藏5小时，再将去离子水和锂、钠、钾的氢氧化物加入到氧化锌溶液中，此处加入的碱金属氢氧化物和氧化锌的摩尔比为0.1：1，得到氧化锌薄膜前驱体溶液。将氧化锌薄膜前驱体溶液旋涂在介电层上，旋涂转速为3000rpm，时间为30s，200℃退火0.5h，即得纳米氧化锌薄膜；

将四氯金酸溶液加热至100℃，加入柠檬酸钠，此处柠檬酸钠和四氯金酸的摩尔比例为3.78：1，反应持续进行30分钟，最后溶液冷却至室温，即得到纳米金颗粒。对氧化锌薄膜表面进行带电修饰，并将制备得到的纳米金颗粒通过静电吸附在氧化锌薄膜上，即得到纳米金颗粒-氧化锌的复合薄膜。

通过掩模版将金沉积在复合薄膜上形成源/漏电极，沟道长度为50微米，宽度为1000微米，最终得到晶体管型甲醛传感器。

实施例2

在柔性PDMS基底之上将银以热蒸发的形式通过掩膜版形成栅电极，通过原子层沉积法在栅电极上制备30纳米厚氧化铝介电层；

将氧化锌溶解于氢氧化铵并冷藏5小时，再将去离子水和锂、钠、钾的氢氧化物加入到氧化锌溶液中，此处加入的碱金属氢氧化物和氧化锌的摩尔比为0.01：1，得到氧化锌薄膜前驱体溶液。将氧化锌薄膜前驱体溶液旋涂在介电层上，旋涂转速为3000rpm，时间为30s，200℃退火0.5h，即得纳米氧化锌薄膜；

室温下，将柠檬酸钠和硝酸银混合并搅拌，柠檬酸钠和硝酸银的摩尔比例为3.78：1，然后立刻加入硼氢化钠，反应持续进行20分钟，最后溶液冷却至室温，即得到纳米银颗粒。对氧化锌薄膜表面进行带电修饰，并将制备得到的纳米银颗粒通过静电吸附在氧化锌薄膜上，即得到纳米银颗粒-氧化锌的复合薄膜；

通过掩模版将金沉积在复合薄膜上形成源/漏电极，沟道长度为50微米，宽度为1000微米，最终得到晶体管型甲醛传感器。

实施例3

在柔性PDMS基底之上将银以热蒸发的形式通过掩膜版形成栅电极，通过原子层沉积法在栅电极上制备30纳米厚氧化铝介电层；

将氧化锌溶解于氢氧化铵并冷藏5小时，再将去离子水和锂、钠、钾的氢氧化物加入到氧化锌溶液中，此处加入的碱金属氢氧化物和氧化锌的摩尔比为0.15：1，得到氧化锌薄膜前驱体溶液。将氧化锌薄膜前驱体溶液旋涂在介电层上，旋涂转速为3000rpm，时间为30s，200℃退火0.5h，即得纳米氧化锌薄膜；

室温下，将柠檬酸钠和铂四价盐混合并搅拌，柠檬酸钠和铂四价盐的摩尔比例为3.78：1，然后立刻加入硼氢化钠，反应持续进行60分钟，最后溶液冷却至室温，即得到纳米铂颗粒。对氧化锌薄膜表面进行带电修饰，并将制备得到的纳米铂颗粒通过静电吸附在氧化锌薄膜上，即得到纳米铂颗粒-氧化锌的复合薄膜；

通过掩模版将金沉积在复合薄膜上形成源/漏电极，沟道长度为50微米，宽度为1000微米，最终得到晶体管型甲醛传感器。

实施例4

将实施例1~3中制备的传感器放置在气体测试腔中，探针接触器件的栅极、源极以及漏极，通入一定浓度的甲醛测试晶体管器件的源漏电流变化，结果显示，源漏电流变化显著，即所制备得到的晶体管型甲醛传感器能够特异性响应甲醛气体。

实施例5

对实施例1~3中所制备的传感器进行耐弯曲测试，具体方法为：以Linmot直线电机和气动振台搭建样品拉伸台，进行柔性传感器的疲劳性能与环境稳定性的测试。在反复的压缩和拉伸器件经过数量级的循环之后，再进行柔性传感器的电学性能测试。结果显示，本发明制备的晶体管型甲醛传感器，在经反复压缩和拉伸后，仍然保持良好的电学性能，具有极好的柔性性能，可实现器件的高机械性。

综上所述，本发明提供的晶体管型甲醛传感器，通过在介电层上设置复合薄膜，然后再在所述复合薄膜上设置源电极及漏电极，吸附有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜，复合薄膜能够改变晶体管的载流子浓度、表面态和器件运输能力，而由于金属纳米颗粒的修饰，使得复合薄膜对甲醛气体有特异性响应，从而实现器件的高选择性和抗干扰性，解决了现有技术中甲醛传感器稳定性、选择性较差的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种晶体管型甲醛传感器，其特征在于，包括基底、设置在所述基底上的栅电极、设置在所述栅电极上的介电层、设置在所述介电层上的复合薄膜、设置在所述复合薄膜上的源电极和漏电极，所述复合薄膜为吸附有金属纳米颗粒的氧化锌薄膜；所述复合薄膜中，金属纳米颗粒通过静电吸附在氧化锌薄膜上；所述氧化锌薄膜由经碱金属元素掺杂改性的氧化锌制成；所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒和铂纳米颗粒中的一种或多种；所述氧化锌薄膜中，碱金属元素与氧化锌的摩尔比为0.01：1～0.15：1；所述氧化锌薄膜上修饰的金属纳米颗粒对甲醛气体进行特异性响应；所述晶体管型甲醛传感器的性能通过金属纳米颗粒种类、氧化锌掺杂浓度、介电层厚度以及复合薄膜厚度的不同组合来进行调节。

2.根据权利要求1所述的晶体管型甲醛传感器，其特征在于，所述基底为柔性基底，所述栅电极为金属栅电极且所述介电层为氧化铝介电层。

3.一种晶体管型甲醛传感器的制作方法，其特征在于，包括步骤：

提供基底，并在所述基底上形成栅电极；

在所述栅电极上沉积制备介电层；

提供氧化锌溶液，将所述氧化锌溶液涂覆在介电层上，退火形成氧化锌薄膜；

提供金属纳米颗粒，并对氧化锌薄膜进行带电修饰，然后将金属纳米颗粒通过静电作用吸附在氧化锌薄膜上，得到复合薄膜；

在复合薄膜上沉积形成源电极及漏电极，得到晶体管型甲醛传感器；

在将所述氧化锌前躯体溶液涂覆在栅电极上的步骤之前，还包括：

在氧化锌溶液中加入碱金属氢氧化物；

所述步骤对氧化锌薄膜进行带电修饰，包括：

利用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液对氧化锌薄膜进行浸泡处理，再通过甲苯冲洗浸泡处理后的氧化锌薄膜，然后在氮气气氛中干燥；

所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒和铂纳米颗粒中的一种或多种；所述氧化锌薄膜中，碱金属元素与氧化锌的摩尔比为0.01：1～0.15：1；所述氧化锌薄膜上修饰的金属纳米颗粒对甲醛气体进行特异性响应；所述晶体管型甲醛传感器的性能通过金属纳米颗粒种类、氧化锌掺杂浓度、介电层厚度以及复合薄膜厚度的不同组合来进行调节。

4.根据权利要求3所述的晶体管型甲醛传感器的制作方法，其特征在于，通过原子层沉积法在所述栅电极上沉积氧化铝制备介电层。

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