CN211453446U - 基于石墨烯的集成化气敏传感单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于石墨烯的集成化气敏传感单元，包括：Si+SiO₂衬底、Ti/Pt电极、石墨烯、NH₃敏感部、H₂敏感部以及NO₂敏感部。Ti/Pt电极溅射于Si+SiO₂衬底上；石墨烯设置于Si+SiO₂衬底上；NH₃敏感部设置于石墨烯上；H₂敏感部设置于石墨烯上；以及NO₂敏感部设置于石墨烯上。借此，本实用新型的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，集成了三种气敏传感单元，且成本低，工艺简单。

Description

基于石墨烯的集成化气敏传感单元

技术领域

本实用新型是关于气体敏感传感器技术领域，特别是关于一种基于石墨烯的集成化气敏传感单元。

背景技术

气体检测在日常生活中发挥着越来越重要的作用。化工、环境等领域的生产不可避免的会产生大量的废气。这类废气不仅会对自然环境产生极大的损伤，而且对人类健康会产生各种不可逆的危害。氨气、二氧化氮等是生活中常见的有毒气体，人体少量吸入会对粘膜组织产生强烈刺激，过量吸入将引起中毒，甚至危及生命。此外，氢气、丙酮等易燃易爆气体的泄露会成为威胁生命和财产安全的隐患。因此，对周围空气中的气体进行实时监测是十分必要的。气体敏感传感器可以将周围环境中各类气体的浓度转化为电信号，将无法直观分析的气体浓度信息转化为可直观分析的电学信息。应用气体传感器可以对周围环境中的有害气体浓度进行实时监测，可以有效遏制有害气体中毒、***等事件的发生。

石墨烯是近年来兴起的新型纳米材料，可应用于气体检测领域。石墨烯纳米薄膜对周围环境气体浓度变化极为敏感，作为气敏传感器的敏感单元具有灵敏度高、响应时间快等优势，同时，薄膜质量是影响气敏器件性能的核心因素。

在石墨烯气敏传感器方面已有一定研究进展，Haifeng Qiu et al.利用CVD法在玻璃衬底上生长了石墨烯薄膜，利用Ti/Cu作为金属互联，形成欧姆接触，再利用臭氧对石墨烯薄膜进行氧化，得到氧化石墨烯层。实验证明氧化石墨烯敏感薄膜对氨气的阻值变化率达到19％，响应回复时间在15分钟左右，性能在40天内可保持在60％，对丙酮等其他气体不太敏感，具有选择性高的优点。Min Gyun Chung et al.利用PMMA作为媒介对CVD石墨烯进行了湿法转移，同时在石墨烯表面利用热蒸发工艺进行了钯金属掺杂，获得了对1000ppm浓度的氢气具有30％阻值变化的敏感单元，响应回复时间在10分钟左右。Sen Liu et al.利用氧化锌对氧化还原石墨烯进行了修饰，使得石墨烯薄膜对二氧化氮具有极高的选择性敏感，常温下阻值变化超过25％，对2.5ppm浓度的二氧化氮可产生阶跃响应，但响应回复时间较长，高达100分钟。除了上述目标敏感气体外，Jiayu Dai et al.利用石墨烯薄膜敏感一氧化碳，Miao Zhou etal.探究了表面吸附金属颗粒的石墨烯对二氧化碳及氧气等气体分子的敏感机理。

尽管在石墨烯气敏方面研究人员已探索出了多种方案，但这类器件往往仅能对一种特定种类的气体进行检测，这并不能满足实际气体检测过程中对于器件集成化、多功能化的要求。在实际应用中，往往需要一块气敏芯片即可监测多种有害气体，而目前的研究还无法满足这类需求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于石墨烯的集成化气敏传感单元，其集成了三种气敏传感单元，且成本低，工艺简单。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于石墨烯的集成化气敏传感单元，包括：Si+SiO₂衬底、Ti/Pt电极、石墨烯、NH₃敏感部、H₂敏感部以及NO₂敏感部。Ti/Pt电极溅射于Si+SiO₂衬底上；石墨烯设置于Si+SiO₂衬底上；NH₃敏感部设置于石墨烯上；H₂敏感部设置于石墨烯上；以及NO₂敏感部设置于石墨烯上。

在一优选的实施方式中，Si+SiO₂衬底由400微米厚度的p型掺杂硅片和300纳米厚度的介质层组成。

在一优选的实施方式中，介质层是利用等离子体增强化学气相沉积工艺所沉积形成的二氧化硅构成。

在一优选的实施方式中，Ti/Pt电极的Ti金属电极的厚度为10纳米，且Ti/Pt电极的Pt金属电极的厚度为50纳米。

在一优选的实施方式中，NH₃敏感部为敏感NH₃的氧化石墨烯薄膜，H₂敏感部为敏感H₂的掺杂有钯金属颗粒的石墨烯层，NO₂敏感部为敏感NO₂的掺杂有ZnO颗粒的氧化石墨烯薄膜。

与现有技术相比，根据本实用新型的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，集成了三种气敏传感单元，且成本低，工艺简单。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施方式的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的结构示意图。

图2是根据本实用新型一实施方式的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的工作原理示意图。

图3是根据本实用新型一实施方式的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图3所示，图1是根据本实用新型一实施方式的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的结构示意图；图2是根据本实用新型一实施方式的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的工作原理示意图；图3是根据本实用新型一实施方式的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的制备流程图。

根据本实用新型优选实施方式的一种基于石墨烯的集成化气敏传感单元，包括：Si+SiO₂衬底、Ti/Pt电极、石墨烯、NH₃敏感部、H₂敏感部以及NO₂敏感部。Ti/Pt电极溅射于Si+SiO₂衬底上；石墨烯设置于Si+SiO₂衬底上；NH₃敏感部设置于石墨烯上；H₂敏感部设置于石墨烯上；以及NO₂敏感部设置于石墨烯上。其中，气敏传感单元包括：制备制作Si+SiO₂衬底；在所述Si+SiO₂衬底上溅射Ti/Pt电极；转移石墨烯至所述Si+SiO₂衬底上；在所述石墨烯上制作NH₃敏感部、H₂敏感部和NO₂敏感部；以及用丙酮浸泡，并去除光刻胶。

在一优选的实施方式中，Si+SiO₂衬底由400微米厚度的p型掺杂硅片和300纳米厚度的介质层组成；介质层是利用等离子体增强化学气相沉积工艺所沉积形成的二氧化硅构成。

在一优选的实施方式中，在Si+SiO₂衬底上溅射Ti/Pt电极包括：在介质层表面先溅射厚度为10纳米的Ti金属电极，然后以10纳米的Ti金属电极为粘附层继续沉积厚度为50纳米的Pt金属电极。

在一优选的实施方式中，NH₃敏感部为敏感NH₃的氧化石墨烯薄膜；H₂敏感部为敏感H₂的掺杂有钯金属颗粒的石墨烯层；NO₂敏感部为敏感NO₂的掺杂有ZnO颗粒的氧化石墨烯薄膜。

在实际应用中，本实用新型的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，主要由衬底、金属互联和敏感部三个大的部分组成，其中衬底包括硅衬底与氧化硅介质层，主要作为支撑结构，并实现传感单元与衬底的电学隔离；金属互联由搭在敏感部两端的Ti/Pt电极构成，Ti用作上层Pt与氧化硅介质层的浸润层，加大电极与衬底的结合力，防止在后续漂洗、浸泡或刻蚀步骤中发生脱落；敏感部分为NH3敏感部、H2敏感部和NO2敏感部。NH3敏感部主要由氧化石墨烯薄膜构成，H2敏感部由掺杂有钯金属颗粒的石墨烯层构成，NO2敏感部由掺杂有ZnO颗粒的氧化石墨烯薄膜构成。石墨烯气敏传感单元结构由三大部分组成，第一部分包括敏感结构，包括三个结构，第一个结构为敏感NH₃的氧化石墨烯薄膜，第二个结构为敏感H₂的掺杂有钯金属颗粒的石墨烯层，第三个结构为敏感NO₂的掺杂有ZnO颗粒的氧化石墨烯薄膜。第二大部分为衬底，衬底由硅衬底与氧化硅介质层构成，主要作用为实现传感单元与衬底的电学隔离。第三部分为Ti/Pt电极，主要作用是将电学信号引出。

本实用新型的基于石墨烯的集成化气敏传感单元的制作流程如下：先制作完成Si+SiO₂衬底，以下操作都是在衬底上操作，溅射Ti/Pt电极，再转移石墨烯，再制作氧化石墨烯，然后完成掺杂有钯金属颗粒的石墨烯层制作，接着完成掺杂有ZnO颗粒的氧化石墨烯薄膜制作，最后用丙酮浸泡，去除光刻胶，完成整个气敏传感单元结构。

本实用新型实施例的衬底及电极制造工艺如下：

石墨烯气敏传感单元衬底由400微米厚度的p型掺杂硅片和300纳米厚度的介质层组成，介质层是利用等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)沉积形成的二氧化硅构成。

石墨烯气敏传感单元的电极通过磁控溅射的物理沉积方法制作于二氧化硅介质层的表面。由于Pt金属与二氧化硅介质层之间的粘合力较弱，在后续工艺漂洗、浸泡的过程中，Pt金属容易因外力与二氧化硅衬底分离，从而导致电极的脱落，因此需要在Pt金属与二氧化硅衬底之间添加一层Ti金属，用作粘附层，Ti金属与二氧化硅衬底结合力大，不易脱落，因此是制作粘附层的最佳选择。首先溅射厚度为10nm的Ti金属于二氧化硅介质层表面，然后以10纳米的Ti金属为粘附层继续沉积厚度为50纳米的Pt金属电极，PAD的尺寸为250×250微米，基于电焊工艺，通过直径30微米的金丝连接PAD与外部封装电极，从而引出气敏传感单元的输出信号。

石墨烯集成化气敏传感单元主要利用各敏感部薄膜对空气中气体分子的吸附作用敏感NH₃、H₂和NO₂。当敏感膜表面吸附有气体分子时，不同的气体分子中的外层电子将导致敏感膜产生不同类型的掺杂作用。石墨烯具有锥形的能带结构，导带与价带在狄拉克点相接，其没有禁带存在且费米能级位于导带与价带的连接点处，一旦外部气体分子通过吸附作用打破石墨烯能带的平衡状态，则会使得费米能级向导带偏移或向价带偏移，向导带偏移称之为n型掺杂，向价带偏移称之为p型掺杂，费米能级的偏移将使石墨烯电导率发生变化。此外，吸附的气体分子还将打开石墨烯的能带，使导带与价带之间产生能隙，从而使整体石墨烯薄膜的电阻值发生变化。由于不同气体对石墨烯带来的影响不同，通过对比吸附前石墨烯的电阻值和吸附后石墨烯的电阻值即可实现对目标气体的检测。

本实用新型提供了可同时检测氨气、氢气和二氧化氮的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，为制造基于石墨烯纳米薄膜的新型多功能、集成化、智能化微纳芯片提供了一条可行的研究思路，为石墨烯类器件的实用化开发提供了研究基础。

总之，本实用新型的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，集成了三种气敏传感单元，采用硅片作为衬底，成本低，工艺简单，且基于MEMS工艺将氨气敏感模块、氢气敏感模块和二氧化氮敏感模块集成于一块芯片上。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯的集成化气敏传感单元，其特征在于，包括：

Si+SiO₂衬底；

Ti/Pt电极，溅射于所述Si+SiO₂衬底上；

石墨烯，设置于所述Si+SiO₂衬底上；

NH₃敏感部，设置于所述石墨烯上；

H₂敏感部，设置于所述石墨烯上；以及

NO₂敏感部，设置于所述石墨烯上。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，其特征在于，所述Si+SiO₂衬底由400微米厚度的p型掺杂硅片和300纳米厚度的介质层组成。

3.如权利要求2所述的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，其特征在于，所述介质层是利用等离子体增强化学气相沉积工艺所沉积形成的二氧化硅构成。

4.如权利要求2所述的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，其特征在于，所述Ti/Pt电极的Ti金属电极的厚度为10纳米，且所述Ti/Pt电极的Pt金属电极的厚度为50纳米。

5.如权利要求1所述的基于石墨烯的集成化气敏传感单元，其特征在于，所述NH₃敏感部为敏感NH₃的氧化石墨烯薄膜，所述H₂敏感部为敏感H₂的掺杂有钯金属颗粒的石墨烯层，且所述NO₂敏感部为敏感NO₂的掺杂有ZnO颗粒的氧化石墨烯薄膜。

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