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原文传递一种半导体气敏传感器及其制备方法

专利名称：	一种半导体气敏传感器及其制备方法
摘要：	本发明提供了一种半导体气敏传感器及其制备方法，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。本发明的高低起伏的有序结构提高了气敏薄膜与气体之间的相互作用面积，气敏薄膜沉积在金属纳米阵列上，通过调整金属纳米阵列的排布方式可以实现气敏薄膜结构的有效调控，有效提高了气敏薄膜检测气体的灵敏度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国科学院过程工程研究所
发明人：	王颖;韩宁;汪舟;陈运法
专利状态：	有效
申请日期：	2018-01-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201810048331.0
公开号：	CN110057869A
代理机构：	北京品源专利代理有限公司
代理人：	巩克栋
分类号：	G01N27/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	100190 北京市海淀区中关村北二条1号
主权项：	1.一种半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器包括金属纳米颗粒阵列和气敏薄膜，所述气敏薄膜沉积在所述金属纳米颗粒阵列上，所述气敏薄膜的表面具有高低起伏的有序结构。 2.根据权利要求1所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述气敏薄膜为氧化物薄膜；优选地，所述氧化物膜包括本征或掺杂的氧化锡薄膜、本征或掺杂的氧化钨薄膜、本征或掺杂的氧化锌薄膜和本征或掺杂的氧化镍薄膜中的任意一种或至少两种的组合。 3.根据权利要求1或2所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒阵列以六角密排方式排列；优选地，所述气敏薄膜的厚度为所述金属纳米颗粒直径的1-5倍。 4.根据权利要求3所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、铂纳米颗粒或钯纳米颗粒中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选金纳米颗粒；优选地，所述金属纳米颗粒的直径为2-20nm，进一步优选10nm；优选地，所述金属纳米颗粒外侧具有包覆层；优选地，所述包覆层包括硫醇类包覆层、羧化物包覆层、胺类包覆层或DNA类包覆层中的任意一种；优选地，所述包覆层为烷基硫醇包覆层，进一步优选十二烷基硫醇；优选地，所述包覆层的厚度为1-5nm，进一步优选2nm。 5.根据权利要求3或4所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器还包括传感器基底，所述金属纳米颗粒阵列位于所述传感器基底上；优选地，所述传感器基底为微型加热盘；优选地，所述微型加热盘包括加热层、两个独立电极、二氧化硅绝缘层和叉指电极，其中，所述二氧化硅绝缘层覆盖在所述加热层上方，所述独立电极位于所述二氧化硅绝缘层上方并且穿过所述二氧化硅绝缘层与所述加热层相连接，所述叉指电极位于所述二氧化硅绝缘层上方并不与所述独立电极接触；优选地，所述二氧化硅绝缘层厚度为200nm；优选地，所述叉指电极为金叉指电极；优选地，所述传感器基底为暴露有叉指电极区域的微型加热盘；优选地，所述金属纳米颗粒阵列位于所述传感器基底上暴露有叉指电极的区域。 6.根据权利要求5所述的半导体气敏传感器，其特征在于，所述半导体气敏传感器还包括传感器衬底，所述传感器衬底位于所述传感器基底下方；优选地，所述传感器衬底从上到下依次为绝缘层、单晶硅衬底和绝缘层；优选地，所述绝缘层为氮化硅绝缘层；优选地，所述绝缘层的厚度为300nm；优选地，所述传感器衬底包括隔热腔，所述隔热腔位于气敏薄膜下方。 7.根据权利要求1-6中的任一项所述的半导体气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：在半导体气敏传感器的金属纳米颗粒阵列上沉积气敏薄膜，得到所述半导体气敏传感器。 8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述气敏薄膜沉积在以六角密排方式排列的金属纳米颗粒阵列上；优选地，所述沉积采用的方法为溅射法；优选地，所述溅射法为磁控溅射法或射频溅射法；优选地，沉积气敏薄膜后，对得到的半导体气敏传感器进行退火处理；优选地，所述退火处理为在400-700℃的氩气和氢气的混合气氛下做退火处理；优选地，所述退火处理的时间为1-5h，进一步优选2h；优选地，所述混合气氛中氢气的体积分数为5％。 9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒阵列通过微接触印刷法或Langmuir-Blodgett法由水中转移至传感器基底上；优选地，所述金属纳米颗粒阵列在水/空气界面自组装形成六角密排方式；优选地，所述传感器基底由微机电系统制备得到；优选地，所述金属纳米颗粒阵列通过微接触印刷法或Langmuir-Blodgett法由水中转移至所述传感器基底上暴露有叉指电极的区域；优选地，利用光学曝光的方法暴露出所述传感器基底上叉指电极区域；优选地，所述制备方法还包括得到所述半导体气敏传感器后，对传感器衬底进行背腐蚀，在气敏薄膜下方制备隔热腔；优选地，所述制备方法还包括完成所述背腐蚀后，对半导体气敏传感器进行激光切割、裂片、封装。 10.根据权利要求7-9中的任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤： (1)利用微机电系统制备得到传感器基底； (2)利用光学曝光的方法暴露出步骤(1)得到的传感器基底上叉指电极区域； (3)金属纳米颗粒阵列在水/空气界面自组装形成六角密排方式； (4)通过微接触印刷法或Langmuir-Blodgett法将步骤(3)得到的具有六角密排方式排列的金属纳米颗粒阵列由水面转移至步骤(2)得到的暴露叉指电极区域； (5)通过磁控溅射法或射频溅射法在金属纳米颗粒阵列上沉积气敏薄膜； (6)在400-700℃的氩气和氢气的混合气氛下做退火处理，其中，氢气占混合气体体积分数的5％； (7)对传感器衬底进行背腐蚀，在气敏薄膜下方制备隔热腔，得到所述半导体气敏传感器； (8)对步骤(7)得到的半导体气敏传感器进行激光切割、裂片、封装。
所属类别：	发明专利