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原文传递中等孔径多孔硅基氧化锌薄膜复合材料气敏传感器及其制备方法和应用

专利名称：	中等孔径多孔硅基氧化锌薄膜复合材料气敏传感器及其制备方法和应用
摘要：	本发明公开了一种中等孔径多孔硅基氧化锌薄膜复合材料气敏传感器及其制备方法和应用，由中等孔径多孔硅基底、Pt膜电极、中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层和Pt电极组成，所述的中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层由中等孔径多孔硅层和恒电位电化学沉积在其上的氧化锌薄膜组成。本发明通过在中等孔径多孔硅基底制备欧姆接触电极，然后利用电化学法在中等孔径多孔硅上原位生长ZnO薄膜的方法较为简单，所需控制的工艺条件较少，成本低廉；构造n‑n型异质结结构，可在室温下探测低浓度二氧化氮气体，具有灵敏度较高、响应/恢复性能较好、选择性和重复性好的特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	天津师范大学
发明人：	严达利;李申予;王守宇;李德军;刘士余;竺云;曹猛
专利状态：	有效
申请日期：	2017-11-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201711158223.0
公开号：	CN109813776A
代理机构：	天津创智天诚知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	王秀奎
分类号：	G01N27/30(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	300387 天津市西青区宾水西道393号
主权项：	1.一种中等孔径多孔硅基氧化锌(ZnO)薄膜复合材料气敏传感器，其特征在于，包括中等孔径多孔硅基底、Pt膜电极、中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层和Pt电极；所述的中等孔径多孔硅基底采用双槽电化学腐蚀法制备而成，平均孔径为100-200nm，平均厚度为40-50μm，在所述的中等孔径多孔硅基底上设置所述的中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层，该中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层采用三电极体系进行恒电位电化学沉积氧化锌薄膜制得，在所述中等孔径多孔硅基底上表面边界处设置有Pt膜电极，该Pt膜电极采用磁控溅射镀膜法制得，厚度为90-110nm，面积为(15-20)mm×(1.5-2.5)mm，所述的中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层与Pt膜电极互不接触，在所述的中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层上对称设置有两块方形的Pt电极，所述的Pt电极采用掩模版以磁控溅射法，所述的多孔硅基氧化锌敏感层的表面存在氧化锌颗粒。 2.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述的中等孔径多孔硅基底以单面抛光n型硅片为原料，采用双槽电化学腐蚀法在腐蚀液中通过恒电流刻蚀硅片的抛光表面来制备中等孔径多孔硅层，所述的腐蚀液由氢氟酸、H2O、异丙醇、浓HNO3、KMnO4与十二烷基硫酸钠按照100ml:500ml:100ml:10ml:0.42g:0.38g的比例配置而成；氢氟酸为质量百分数40-50wt.％的氢氟酸水溶液，腐蚀液温度控制在室温20-25摄氏度并且不借助光照，施加的腐蚀电流密度为60-70mA/cm2，腐蚀时间为15-25min。 3.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述的中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层采用三电极体系进行恒电位电化学沉积法在中等孔径多孔硅基底上沉积氧化锌薄膜来制备，由溶于去离子水中的Zn(NO3)2和KCl的混合液组成电解液，向该电解液中持续通入纯氮气以去除电解液中的溶解氧气，保持电解液的温度为60-70℃，电解液中Zn(NO3)2和KCl的浓度分别为0.05mol/L和0.1mol/L。 4.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述的Pt膜电极以铂金属作为靶材，采用磁控溅射镀膜法沉积在中等孔径多孔硅基底上表面边界处，本底真空度为(4-5)×10-4Pa，工作气体为氩气，工作压强为1.5-2.5Pa，温度为室温20-25摄氏度，溅射功率85-95W，溅射时间9-12min。 5.根据权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述的Pt电极以铂金属作为靶材，采用掩模版以磁控溅射法在所述的中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层表面沉积而成，本底真空度为(4-5)×10-4Pa，工作气体为氩气，工作压强为1.5-2.5Pa，温度为室温20-25摄氏度，溅射功率85-95W，溅射时间9-12min。 6.如据权利要求1所述的中等孔径多孔硅基氧化锌(ZnO)薄膜复合材料气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)硅片的清洗将硅片放入30wt.％双氧水与98wt.％浓硫酸的混合液中浸泡29-31min，去除硅片表面的硬质颗粒，上述混合液中30wt.％双氧水与98wt.％浓硫酸的体积比为1:3，其中双氧水的25-35wt.％；用去离子水冲洗干净后置于氢氟酸(HF，40wt.％)与去离子水的混合液中浸泡19-21min，去除表面的SiO2层，上述混合液中氢氟酸(HF，40wt.％)与去离子水的体积比为1:1；将硅片依次放入去离子水、丙酮溶剂和无水乙醇中分别超声清洗9-11min，去除表面有机物杂质后放入无水乙醇中备用； (2)制备中等孔径多孔硅将上述步骤(1)中清洗完成的硅片作为基底，采用双槽电化学腐蚀法在腐蚀液中通过恒电流刻蚀硅片的抛光表面来制备中等孔径多孔硅层，腐蚀液温度控制在室温并且不借助光照，施加的腐蚀电流密度为60-70mA/cm2，腐蚀时间为15-25min；所述腐蚀液由40-50wt.％氢氟酸、H2O、异丙醇、浓HNO3、KMnO4与十二烷基硫酸钠按照100ml:500ml:100ml:10ml:0.42g:0.38g的比例配置而成； (3)在中等孔径多孔硅层上生长氧化锌薄膜以铂金属作为靶材，采用磁控溅射镀膜法在中等孔径多孔硅层上表面边界处沉积一层厚度为90-110nm，面积为(15-20)mm×(1.5-2.5)mm的Pt膜电极，利用铜丝和Pt膜电极点焊确保Pt膜电极和中等孔径多孔硅形成欧姆接触，然后用硅胶把引出铜丝密封好；将Zn(NO3)2和KCl溶于去离子水形成的混合液作为电解液，所述电解液中Zn(NO3)2和KCl的浓度分别为0.05mol/L和0.1mol/L，向所述电解液中持续通入纯氮气以去除电解液中的溶解氧气，保持电解液的温度为60-70℃，采用三电极体系进行恒电位电化学沉积氧化锌薄膜，沉积完后，得到中等孔径多孔硅基氧化锌敏感层； (4)制备中等孔径多孔硅基氧化锌薄膜复合材料气敏传感器将步骤(3)制得的中等孔径多孔硅基氧化锌薄膜复合材料用氮气吹干，置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，以铂金属作为靶材，采用掩模版以磁控溅射法在复合材料表面沉积形成2个厚度为90-110nm的方形的Pt电极，构建中等孔径多孔硅基氧化锌薄膜复合材料气敏传感器。 7.根据权利要求6所述的气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述的硅片为n型单抛硅片，晶向为<100>，电阻率为0.01-0.02Ω·cm，厚度为490-510μm，切割尺寸为(30-40)mm×(15-20)mm；所述的中等孔径多孔硅层的平均孔径为100-200nm，平均厚度为40-50μm，中等孔径多孔硅层区域尺寸为(25-30)mm×(9-12)mm。 8.根据权利要求6所述的气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中中靶材金属铂的质量纯度为99.95％，本底真空度为(4-5)×10-4Pa，工作气体为纯度为99.99％的氩气，工作压强为1.5-2.5Pa，温度为室温20-25摄氏度，溅射功率85-95W，溅射时间9-12min；所述的步骤(3)中以中等孔径多孔硅为工作电极，以面积为35mm×17mm的Pt网电极作为辅助电极，两电极保持间距为1.8-2.2cm，以饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极；所述的步骤(3)中恒电位电化学沉积的沉积电位范围：相对于参比电极-0.9～-1.0V的恒电位进行电化学沉积，沉积过程中溶液中的磁力搅拌子以200r/min的速率持续搅拌，控制电沉积时间为35-45min。 9.根据权利要求6所述的气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的靶材金属铂的质量纯度为99.95％，本底真空度为(4-5)×10-4Pa，工作气体为纯度为99.99％的氩气，工作压强为1.5-2.5Pa，温度为室温20-25摄氏度，溅射功率85-95W，溅射时间9-12min。 10.如据权利要求1所述的中等孔径多孔硅基氧化锌(ZnO)薄膜复合材料气敏传感器，或者依据权利要求6制备方法得到的中等孔径多孔硅基氧化锌(ZnO)薄膜复合材料气敏传感器在检测二氧化氮中的应用，室温下对1ppmNO2气体的响应时间为58s，恢复时间为115s，在室温下对1ppm NO2的气敏灵敏度为8.0。
所属类别：	发明专利