CN111024775B - 用于臭氧气体传感器的气敏传感器件以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于臭氧气体传感器的气敏传感器件，所述气敏传感器件包括氧化物半导体薄膜和分散在该氧化物半导体薄膜表面上的纳米颗粒，所述纳米颗粒对臭氧气体具有响应能力并且其电导率高于所述氧化物半导体薄膜的电导率。本发明还提供了一种制备用于臭氧气体传感器的气敏传感器件的方法，所述方法包括如下步骤：1)制备氧化物半导体薄膜；2)在室温条件下，在所述氧化物半导体薄膜的表面上生长分散的纳米颗粒。本发明提供的臭氧气体传感器通过调控纳米颗粒的尺寸、密度和分布，改善臭氧浓度传感器的各项响应性能，操作简单，易实现产业化。

Description

用于臭氧气体传感器的气敏传感器件以及制备方法

技术领域

本发明属于半导体传感器领域，尤其涉及一种用于臭氧气体传感器的气敏传感器件及其制备方法和用途。

背景技术

臭氧(Ozone)作为自然界稳定存在的气体，对人们的生活具有很重要的影响。因为臭氧自身存在的强氧化性和其分解产物的无毒害性，常常被用作人们日常生产、生活所排出污水的消毒剂和净化剂；除了用于水的净化消毒以外，臭氧气体还被广泛用于食品、医药行业的消毒。但是，过量的臭氧会对人体健康、农业生产和生态***造成许多不利的影响。因此，在生产和生活领域中，对于臭氧含量的监控显得尤为重要。经过数十年的发展，目前商用的臭氧探测方法主要有紫外光吸收法、化学发光法和碘元素法等。这些测定方法实现的手段主要以大型设备居多，由于移动困难，在户外的实时勘测中，多使用臭氧气体传感器进行。

目前常用的臭氧气体传感器(Ozone Sensor)主要分为电阻型和非电阻型，其中所用的材料有氧化锡、氧化铟、氧化锌和氧化铁等。电阻型臭氧气体传感器，如氧化锡高温烧结陶瓷型臭氧气体传感器，结构简单，便于制作和使用，但是灵敏度较低；而非电阻型臭氧气体传感器，如氧化铜-钛酸钡电容型臭氧气体传感器，灵敏度高，但是制作工艺相对复杂且稳定性较差(《传感器原理及应用》，王桂荣，中国电力出版，2010年)。除此之外，现有的臭氧气体传感器还存在工作温度窗口窄、价格较为昂贵、寿命相对较短、无法与柔性可穿戴设备集成以实现轻便一体化应用等一系列问题。

氧化物半导体薄膜对含氧成分的气体具有很高的灵敏度，并且因为其生长温度调控窗口广、材料来源丰富、价格低廉且易于制备、化学性能稳定、可制作柔性透明器件等特点，有望取代传统材料、成为新一代臭氧气体传感器的传感层材料。众所周知，增加传感层材料的比表面积、降低传感层材料的初始电阻是能够提高臭氧气体传感器性能的有效方法。现有传感层材料的生长方法主要包括水热法、分子束外延生长法、化学气相沉积生长法等，但是利用上述方法制备的传感层材料存在价格昂贵、制备周期长、不易于大规模生产等缺点；最重要的一点是，它们仍离不开高温制备工艺和高温工作条件，低温包括室温下的响应度和响应速度依然很难达到可实际应用的水平，因此极大地限制了这类器件的进一步研究和发展。相比之下，利用磁控溅射等方法制作的氧化物半导体薄膜传感层可以很好地解决这些问题；但是，它们也存在比表面积较小、初始电阻较高等问题，离实际应用尚有较大的距离。

基于此，开发低成本、制备工艺简单、可在室温工作、灵敏度高、稳定性好且便于携带和集成的臭氧气体传感器是目前迫切需要解决的一个问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于臭氧气体传感器的气敏传感器件和制备该气敏传感器件的方法。本发明还提供了包含该气敏传感器件的臭氧气体传感器。本发明提供的臭氧气体传感器显著改善了其各项响应性能，操作简单，并且易于实现产业化。

一方面，本发明提供了一种用于臭氧气体传感器的气敏传感器件，所述气敏传感器件包括氧化物半导体薄膜和分散在该氧化物半导体薄膜表面上的纳米颗粒，所述纳米颗粒对臭氧气体具有响应能力并且其电导率高于所述氧化物半导体薄膜的电导率。

根据本发明所述的气敏传感器件，其中，所述氧化物半导体薄膜是在衬底上制备的，所述衬底选自云母(Mica)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、蓝宝石(Al₂O₃)、硅片(Si)、碳化硅(SiC)、石英玻璃(SiO₂)或砷化镓晶片(GaAs)。

优选地，所述衬底选自云母(Mica)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。

根据本发明所述的气敏传感器件，其中，所述氧化物半导体薄膜由氧化镓、铟镓锌氧、氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化铈、氧化铌、氧化钨、氧化镉、氧化铁、氧化锆或锶钛氧构成。

根据本发明所述的气敏传感器件，其中，所述氧化物半导体薄膜的厚度为50nm～1000nm，优选地为60～800nm，更优选地为100～500nm，更进一步优选地为150nm～200nm。

根据本发明所述的气敏传感器件，其中，所述纳米颗粒选自铟镓锌氧(IGZO)颗粒、氧化铟(In₂O₃)颗粒、氧化锡(SnO₂)颗粒、氧化锌(ZnO)颗粒、氧化镉(CdO)颗粒、氧化镍(NiO₂)颗粒、氧化钙(CaO)颗粒、氧化钴(Co₃O₄)颗粒、氧化钼(MoO₃)颗粒、氧化钨(WO₃)颗粒、镍(Ni)颗粒、铅(Pb)颗粒、铂(Pt)颗粒、钯(Pd)颗粒、铜(Cu)颗粒、金(Au)颗粒、银(Ag)颗粒、铁(Fe)颗粒或铝(Al)颗粒。

所述分散性纳米颗粒的直径为1nm～100nm，优选地为5～20nm，更优选地为6nm～15nm，更进一步优选地为8nm～10nm。

根据本发明所述的气敏传感器件，其中，所述气敏传感器件还包括电极，所述电极由氧化铟锡(ITO)、铝锌氧(AZO)、镓锌氧(GZO)、铬(Cr)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、钛金(Ti/Au)、铝(Al)或铂(Pt)构成。

另一方面，本发明还提供了一种用于臭氧气体传感器的气敏传感器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)制备氧化物半导体薄膜；

2)在室温条件下，在所述氧化物半导体薄膜的表面上生长分散的纳米颗粒。

根据本发明的制备方法，其中，在所述步骤1)中，使用选自以下的方法来制备氧化物半导体薄膜：磁控溅射法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法或金属有机化合物化学气相沉积法。

更优选地，在所述步骤1)中，使用磁控溅射法来制备氧化物半导体薄膜；

优选地，所述磁控溅射法的溅射功率为50W-120W，溅射时间为5-30分钟；

根据本发明的制备方法，其中，在所述步骤2)中，通过选自以下的方法在所述氧化物半导体薄膜表面上生长分散的纳米颗粒：磁控溅射法、溶胶凝胶法、水热法、真空蒸发镀膜法、化学气相沉积法；

更优选地，在所述步骤2)中，所述磁控溅射法的溅射功率为50W-120W，溅射时间为20-120秒；

进一步优选地，所述方法还包括：

3)将步骤2)所得到的薄膜进行微纳加工处理；以形成期望的平面结构如金属-半导体-金属(MSM)结构或垂直结构如P型半导体-本征半导体-N型半导体(PIN)结构；

4)在室温条件下，在经过微纳加工处理后的结构表面上制备电极。

再一方面，本发明还提供了一种臭氧气体传感器，其包括本发明的气敏传感器件或根据本发明方法制备的气敏传感器件。

根据本发明的臭氧气体传感器，优选地，所述臭氧气体传感器为金属-半导体-金属(MSM)结构臭氧气体传感器、肖特基二极管结构臭氧气体传感器或场效应晶体管结构臭氧气体传感器。

本发明还提供了所述气敏传感器件或根据所述的方法制备的气敏传感器件在制备用于检测臭氧的臭氧气体传感器中的用途；

优选地，所述臭氧气体传感器为金属-半导体-金属(MSM)结构臭氧气体传感器、肖特基二极管结构臭氧气体传感器或场效应晶体管结构臭氧气体传感器。

本领域技术人员已知的是，低温条件下制备的氧化物薄膜存在很多氧空位点缺陷，它们的浓度变化将对样品的电阻产生重要的影响。氧空位对臭氧气体有非常灵敏的反应，主要体现在通入臭氧时，臭氧会占据氧空位、夺取样品表面的电子、变成氧负离子，从而导致样品电阻变大；而关闭臭氧时，氧负离子会将电子重新注入样品并变回臭氧分子、脱离样品表面，从而在样品表面留下氧空位点缺陷、导致样品电阻变小。由于某些氧化物薄膜(例如非晶Ga₂O₃薄膜)的带隙较大、电导率较低，因此它们在臭氧环境中的电阻变化较不明显，响应度和恢复时间也不太理想。发明人发现，在氧化物薄膜表面生长一层电导率更高的纳米颗粒可以有效地解决这一问题。本发明人发现，通过该方法制造的氧化物薄膜具有以下特征：

1)在氧化物半导体薄膜表面生长电导率更高的纳米颗粒后，可以有效地降低样品的初始电阻，使得传感层电阻在臭氧环境中的变化更为明显；

2)由于氧化物纳米颗粒本身就含有很多氧空位缺陷，对臭氧具有一定的响应，与氧化物半导体薄膜组合后会使整体响应度得到有效提升；另外，金、银、铂等贵金属颗粒具有催化作用，增加了氧化物薄膜表面活性位点，加速了表面电子的分离与转移，也可以起到提高响应度和响应速度的作用。

3)纳米颗粒可以与氧化物薄膜形成异质结结构，提供了势垒高度，有利于电子与空穴的分离，使得响应度和响应速度都会得到提高；

4)纳米颗粒的引入增大了氧化物薄膜表面的比表面积，而比表面积对改善气体探测的灵敏度有着至关重要的影响。

另外，与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

本发明的传感层所使用的氧化物薄膜和纳米颗粒材料均为成本低廉的无毒性材料，选择范围广，制备工艺简单，制备温度低，调控窗口大且可实现柔性化。

采用表面具有纳米颗粒微结构修饰的氧化物薄膜制备的臭氧气体传感器能够在很大程度上降低成本并且适用于大规模生产，可与其他微纳工艺器件兼容；可在低温甚至室温条件下正常工作，尤其是适合制备柔性臭氧气体传感器。

本发明利用调控纳米颗粒的尺寸、密度和分布，改善臭氧浓度传感器的各项响应性能，操作简单，易实现产业化。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为利用原子力显微镜观测的未溅射IGZO纳米颗粒的非晶Ga₂O₃薄膜表面形貌图；

图2为根据本发明的实施例1在非晶Ga₂O₃薄膜表面生长纳米颗粒的表面形貌图；

图3为根据本发明的实施例2在非晶Ga₂O₃薄膜表面生长纳米颗粒的表面形貌图；

图4为根据本发明的实施例3在非晶Ga₂O₃薄膜表面生长纳米颗粒的表面形貌图；

图5是包含根据本发明的实施例1-4制备的具有表面纳米颗粒微结构的氧化物薄膜的MSM结构臭氧气体传感器的结构剖面示意图；

图6是包含根据本发明的实施例5-8制备的具有表面纳米颗粒微结构的氧化物薄膜的MSM叉指结构臭氧气体传感器的结构俯视示意图；

图7是不包含根据本发明制备的非晶Ga₂O₃薄膜与包含根据本发明的实施例3制备的具有表面纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜的MSM结构臭氧气体传感器性能测试结果的电流-时间曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例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。

实施例1

表面有IGZO(铟镓锌氧)纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧浓度传感器件及其制备方法，包括如下步骤：

1)在室温下，利用磁控溅射法在200μm厚的石英衬底上生长非晶Ga₂O₃薄膜，溅射功率为60W，溅射时间为30分钟，非晶Ga₂O₃薄膜的厚度约为200nm；

2)在室温下，利用磁控溅射法在200nm非晶Ga₂O₃薄膜上生长IGZO纳米颗粒，溅射功率为70W，溅射时间为60秒，IGZO纳米颗粒尺寸约为10nm，呈现均匀分散性分布；

3)将步骤2)所得到的样品进行微纳加工处理，利用紫外光刻技术得到间距为5μm的叉指状结构；

4)在室温条件下利用磁控溅射法在叉指状结构表面生长ITO(氧化铟锡)薄膜，溅射功率为50W，溅射时间为8分钟，ITO薄膜的厚度约为80nm；

5)将步骤四所得到的样品进行溶脱处理，得到传感器件。

实施例2

除了步骤2)中溅射的时间为90秒外，与实施例1的方法步骤相同，制备传感器件。

实施例3

除了步骤2)中溅射的时间为120秒外，与实施例1的方法步骤相同，制备传感器件。

实施例1-3的结果比较

实施例1-3中由于溅射时间不同，所生成的IGZO纳米颗粒的直径、密度和分布也不同。

在实施例1中，磁控溅射时间为60秒，IGZO颗粒直径约为10nm，呈现均匀分散性分布。在实施例2中，磁控溅射时间为90秒，IGZO颗粒直径约为10nm，呈现均匀分散性分布，但颗粒密度明显高于实施例1中60秒的样品。在实施例3中，磁控溅射时间为120秒，IGZO颗粒已经开始成膜，部分区域开始出现大分子团簇，不再是纳米颗粒结构。

参见图1-4，图1是利用原子力显微镜观测的未溅射IGZO纳米颗粒的非晶Ga₂O₃薄膜表面形貌图，图2-4分别为实施例1-3中在非晶Ga₂O₃薄膜表面溅射了IGZO纳米颗粒后的表面形貌图。

可以看出，未溅射IGZO纳米颗粒的非晶Ga₂O₃薄膜的表面是平整均匀的，溅射了IGZO之后，样品表面有均匀分布的纳米颗粒，并且随着溅射时间的不断增加，IGZO纳米颗粒的直径和密度都有所增加；另外，本发明人通过实验发现，溅射时间达到120秒以后，继续溅射IGZO，非晶Ga₂O₃薄膜表面的IGZO纳米颗粒开始出现区域性大分子团簇，不再呈现均匀分散现象。

将实施例1-3制备的表面有IGZO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器件进行相关的性能测试，并与表面无IGZO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器的性能进行对比，验证了该表面微结构有效地提高了传感器对臭氧气体的响应度和响应速度。

参见图5，图5是包含实施例1-3制备的具有表面IGZO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜金属-半导体-金属(MSM)结构臭氧气体传感器的剖面示意图，从上到下依次是ITO电极0501、传感层(即表面具有IGZO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜)0502、以及石英衬底0503。

用导电银胶将两部分ITO电极通过导线连接到Keithley 6487源表上，在紫外光照的辅助下，测试在通入和关闭臭氧气体的情况下电流的变化情况，这也反映了臭氧气体的通入引起的传感器传感层电阻的变化情况(即响应度)。

参见图7，图7是不包含根据本发明制备的非晶Ga₂O₃薄膜0701与包含根据本发明的实施例3制备的表面有纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜0702的MSM结构臭氧气体传感器性能测试结果的I-V曲线对比图。与包含表面无纳米颗粒微结构的非晶氧化物薄膜0701的臭氧气体传感器相比，包含图3所示的表面有纳米颗粒微结构的非晶氧化物薄膜0702的臭氧气体传感器的响应度增大了约16倍，响应时间(回复时间)缩短了约200％。而包含图2和图4所示的表面有纳米颗粒微结构的非晶氧化物薄膜的臭氧气体传感器的响应度分别增大了9倍和14倍，响应时间分别缩短了约30％和180％。

由此可以看出，实施例2中通过溅射生长90秒纳米颗粒的臭氧传感器的性能最佳。可能原因如下：1、在磁控溅射生长纳米颗粒的初始阶段，由于成核密度较低，因此纳米颗粒的数量较少、直径较小，对非晶氧化物薄膜表面的影响较弱；随着溅射时间的不断增加，纳米颗粒的直径和密度逐渐增加、到达均匀分布的最佳状态；2、继续溅射过程，会导致纳米颗粒的密度和尺寸不断增大，开始出现局域大分子连接成岛的状况，不再呈现均匀分布状态，虽然仍可以增强非晶氧化物薄膜传感器层的响应度，但是由于其修饰作用的减弱、导致器件性能的提升趋于不稳定状态，即器件的响应度随着测试次数的增加会有一定的减小，但回复速度会有一定的加快。

因此，采用本发明制备的表面有IGZO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜，能够大大提升臭氧气体传感器的探测性能，并在纳米颗粒尺寸在8nm～10nm时达到最优。

实施例4

本实施例提供了另一种表面有Pt(铂)纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器件及其制备方法，其步骤与实施例1的相同，区别为步骤2)：

2)在在室温条件下，利用磁控溅射法在非晶Ga₂O₃薄膜表面溅射Pt纳米颗粒，溅射功率为50W，溅射时间为85秒，Pt纳米颗粒尺寸约为10nm，呈现均匀分散性分布。

将该实施例制备的表面有Pt纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜应用至金属-半导体-金属(MSM)叉指结构臭氧气体传感器中，参见图5，图5是包含该实施例制备的Pt纳米颗粒增强型的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器的剖面示意图，从上到下依次是ITO电极0501、传感层(即表面有Pt纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜)0502、以及石英衬底0503。

用导电银胶将两部分ITO电极通过导线连接到Kethely 6487源表上，在紫外光照的辅助下，保持电压恒定，测试在通入和关闭臭氧气体情况下电流的变化情况，这也反映了臭氧气体的通入引起的传感器传感层电阻的变化情况(即响应度)。与包含表面无Pt纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜的臭氧气体传感器相比，包含该实施例制备的表面有Pt纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器的响应度增大了约8倍，响应时间(回复时间)缩短了约30％，说明本实施例制备的臭氧气体传感器的探测性能得到了较大程度的提升。

实施例5

本实施例提供了一种表面有ZnO(氧化锌)纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器件及其制备方法，其步骤与实施例1相同，不同之处在于：

步骤2)：在室温条件下，利用磁控溅射法在非晶Ga₂O₃薄膜表面溅射ZnO纳米颗粒。溅射功率为70W，溅射时间为100秒，ZnO纳米颗粒尺寸约为8nm，呈现均匀分散性分布。

将该实施例制备的表面有ZnO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜传感层应用至金属-半导体-金属(MSM)叉指结构臭氧气体传感器中，参见图6，图6是包含该实施例制备的具有表面ZnO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器的结构俯视示意图，从上到下依次是ITO电极0601、传感层(即具有表面ZnO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜)0602、以及石英衬底0603。

用导电银胶将两部分ITO电极通过导线连接到Kethely 6487源表上，在紫外光照的辅助下，保持电压恒定，测试在通入和关闭臭氧气体情况下电流的变化情况，这也反映了臭氧气体的通入引起的传感器传感层电阻的变化情况(即响应度)。与包含表面无ZnO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜的臭氧气体传感器相比，包含该实施例制备的表面有ZnO纳米颗粒微结构的非晶Ga₂O₃薄膜臭氧气体传感器的响应度增大了约10倍，响应时间(回复时间)缩短了约20％，即臭氧气体传感器的探测性能得到了较大程度的提升。

实施例6

本实施例提供了一种表面有CaO(氧化钙)纳米颗粒微结构的多晶ZnO(氧化锌)薄膜臭氧气体传感器件及其制备方法，其步骤与实施例1相同，不同之处在于：

1)在室温条件下，利用化学气相沉积法在150μm厚的n型Si衬底上生长多晶ZnO薄膜，将高纯Zn粉(99.999％)放入管式炉中央的石英舟上，60sccm氧气作为原料，200sccm高纯氩作为载气，生长温度为70度，生长时间为20分钟，多晶ZnO薄膜的厚度约为50nm；

2)在室温条件下，利用磁控溅射法在多晶ZnO薄膜表面溅射CaO纳米颗粒。溅射功率为70W，溅射时间为90秒，CaO纳米颗粒尺寸约为9nm，呈现均匀分散性分布。

将该实施例制备的表面有CaO纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜传感层应用至金属-半导体-金属(MSM)叉指结构臭氧气体传感器中，参见图6，图6是包含该实施例制备的表面有CaO纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜臭氧气体传感器的结构俯视示意图，从上到下依次是ITO电极0601、传感层(即表面有CaO纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜)0602、以及n型Si衬底0603。

用导电银胶将两部分ITO电极通过导线连接到Kethely 6487源表上，在紫外光照的辅助下，保持电压恒定，测试通入和关闭臭氧气体情况下电流的变化情况，这也反映了臭氧气体的通入引起的传感器传感层电阻的变化情况(即响应度)。与包含表面无CaO纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜的臭氧气体传感器相比，包含该实施例制备的表面有CaO纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜臭氧气体传感器的响应度增大了约7倍，响应时间(回复时间)缩短了约110％，即臭氧气体传感器的探测性能得到了较大程度的提升。

实施例7

本实施例提供了一种表面有Al(铝)纳米颗粒微结构的多晶ZnO(氧化锌)薄膜臭氧气体传感器及其制备方法，其步骤与实施例1相同，不同之处在于：

1)在室温下利用磁控溅射法在200μm厚的石英衬底上生长多晶ZnO薄膜，溅射功率为70W，溅射时间为20分钟，多晶ZnO薄膜的厚度约为200nm；

2)在室温条件下利用热蒸发镀膜法在多晶ZnO薄膜表面蒸镀Al纳米颗粒。蒸镀功率为20W，蒸镀时间为60秒，Al纳米颗粒尺寸约为10nm，呈现均匀分散性分布。

将该实施例制备的表面有Al纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜传感层应用至金属-半导体-金属(MSM)叉指结构臭氧气体传感器中，参见图6，图6是包含该实施例制备的表面有Al纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜臭氧气体传感器的结构俯视示意图，从上到下依次是ITO电极0601、传感层(即表面有Al纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜)0602、以及石英衬底0603。

用导电银胶将两部分ITO电极通过导线连接到Kethely 6487源表上，在紫外光照的辅助下，保持电压恒定，测试通入和关闭臭氧气体情况下电流的变化情况，这也反映了臭氧气体的通入引起的传感器传感层电阻的变化情况(即响应度)。与包含表面无Al纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜的臭氧气体传感器相比，包含该实施例制备的表面有Al纳米颗粒微结构的多晶ZnO薄膜臭氧气体传感器的响应度增大了约12倍，响应时间(回复时间)缩短了约80％，即臭氧气体传感器的探测性能得到了较大程度的提升。

实施例8

本实施例提供了一种表面有CdO(氧化镉)纳米颗粒微结构的多晶In₂O₃(氧化铟)薄膜制备臭氧气体传感器的方法，其步骤3)-5)与实施例1相同，不同之处在于：

1)在室温下利用磁控溅射法在200μm厚的石英衬底上生长多晶In₂O₃薄膜，溅射功率为70W，溅射时间为22分钟，多晶In₂O₃薄膜的厚度约为200nm；

2)在室温条件下利用磁控溅射法在多晶In₂O₃薄膜表面溅射CdO纳米颗粒。溅射功率为85W，溅射时间为80秒，CdO纳米颗粒尺寸约为9nm，呈现均匀分散性分布。

将该实施例制备的表面有CdO纳米颗粒微结构的多晶In₂O₃薄膜传感层应用至金属-半导体-金属(MSM)叉指结构臭氧气体传感器中，参见图6，图6是包含该实施例制备的表面有CdO纳米颗粒微结构的多晶In₂O₃薄膜臭氧气体传感器的结构俯视示意图，从上到下依次是ITO电极0601、传感层(即表面有CdO纳米颗粒微结构的多晶In₂O₃薄膜)0602、以及石英衬底0603。

用导电银胶将两部分ITO电极通过导线连接到Kethely 6487源表上，在紫外光照的辅助下，保持电压恒定，测试通入和关闭臭氧气体情况下电流的变化情况，这也反映了臭氧气体的通入导致的传感器传感层电阻的变化情况(即响应度)。与包含表面无CdO纳米颗粒微结构的多晶In₂O₃薄膜的臭氧气体传感器相比，包含该实施例制备的表面有CdO纳米颗粒微结构的多晶In₂O₃薄膜臭氧气体传感器的响应度增大了约7倍，响应时间(回复时间)缩短了约45％，即臭氧气体传感器的探测性能得到了较大程度的提升。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (14)

1.一种用于臭氧气体传感器的气敏传感器件，其特征在于，所述气敏传感器件包括氧化物半导体薄膜和分散在该氧化物半导体薄膜表面上的纳米颗粒，所述纳米颗粒对臭氧气体具有响应能力并且其电导率高于所述氧化物半导体薄膜的电导率，并且所述氧化物半导体薄膜的厚度为150nm～200nm，所述分散性纳米颗粒的直径为8nm～10nm；

其中，所述分散性纳米颗粒选自铟镓锌氧颗粒、氧化铟颗粒、氧化锡颗粒、氧化锌颗粒、氧化镉颗粒、氧化镍颗粒、氧化钙颗粒、氧化钴颗粒、氧化钼颗粒、氧化钨颗粒、镍颗粒、铅颗粒、铂颗粒、钯颗粒、铜颗粒、金颗粒、银颗粒、铁颗粒或铝颗粒；

并且，所述用于制备臭氧气体传感器的气敏传感器件的方法包括如下步骤：

1)制备氧化物半导体薄膜；

2)在室温条件下，通过磁控溅射法在所述氧化物半导体薄膜的表面上生长分散的纳米颗粒；所述磁控溅射法的溅射功率为50W-120W，溅射时间为20-120秒。

2.根据权利要求1所述的气敏传感器件，其中，所述氧化物半导体薄膜是在衬底上制备的，所述衬底选自云母、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、蓝宝石、硅片、碳化硅、石英玻璃或砷化镓晶片。

3.根据权利要求2所述的气敏传感器件，其中，所述衬底选自云母、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯。

4.根据权利要求1所述的气敏传感器件，其中，所述氧化物半导体薄膜由氧化镓、铟镓锌氧、氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化铈、氧化铌、氧化钨、氧化镉、氧化铁、氧化锆或锶钛氧构成。

5.一种制备如权利要求1-4中任一项所述的用于臭氧气体传感器的气敏传感器件的方法，所述方法包括如下步骤：

1)制备氧化物半导体薄膜；

2)在室温条件下，通过磁控溅射法在所述氧化物半导体薄膜的表面上生长分散的纳米颗粒；所述磁控溅射法的溅射功率为50W-120W，溅射时间为20-120秒。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述步骤1)中，使用选自以下的方法来制备氧化物半导体薄膜：磁控溅射法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法或金属有机化合物化学气相沉积法。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述步骤1)中，使用磁控溅射法来制备氧化物半导体薄膜。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述磁控溅射法的溅射功率为50W-120W，溅射时间为5-30分钟。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述方法还包括：

3)将步骤2)所得到的薄膜进行微纳加工处理；以形成期望的平面结构或垂直结构；

4)在室温条件下，在经过微纳加工处理后的结构表面上制备电极。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述平面结构为金属-半导体-金属结构；所述垂直结构为P型半导体-本征半导体-N型半导体结构。

11.一种臭氧气体传感器，其包括权利要求1-4中任一项所述的气敏传感器件或根据权利要求5-10中任一项所述的方法制备的气敏传感器件。

12.根据权利要求11所述的臭氧气体传感器，其中，所述臭氧气体传感器为金属-半导体-金属结构臭氧气体传感器、肖特基二极管结构臭氧气体传感器或场效应晶体管结构臭氧气体传感器。

13.权利要求1-4中任一项所述的气敏传感器件或根据权利要求5-10中任一项所述的方法制备的气敏传感器件在制备用于检测臭氧的臭氧气体传感器中的用途。

14.根据权利要求13所述的用途，其中，所述臭氧气体传感器为金属-半导体-金属结构臭氧气体传感器、肖特基二极管结构臭氧气体传感器或场效应晶体管结构臭氧气体传感器。

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