[发明专利]基于单根金属氧化物纳米线场效应管的微腔气敏传感器

说明书

技术领域

本发明属于纳米与气敏传感器技术领域，具体涉及一种场效应管的微腔气敏传感器。

背景技术

众所周知，探测O₂以及有毒和易燃气体如NO₂、CO、H₂、甲醛和酒精气体等的气敏传感器在日常生活、工业生产、生物和医疗、环境保护、反恐防灾、军事国防等诸多方面有着广泛的应用。使用的材料常见的有ZnO[1]，SnO₂[2]，In₂O₃[3]…以及它们的掺杂物等。但不管是已经商用的还是研究文献，涉及的绝大多数是块材料、薄膜或厚膜(包括由纳米结构组成的厚膜)材料。它们工作时的气体腔较大(大多为几十甚至几百立方厘米)，这就大大影响了它们的响应速度。另外它们的工作温度太高(大多为200-500℃)，这样工作时功耗过大，使用不便，一些场合甚至根本不能使用。

另一方面，最近以ZnO纳米线为代表的一维纳米材料的研究引起了国际上的广泛瞩目。科学家们制备了一系列晶格结构完美的ZnO纳米线、纳米带、纳米环等，并研究了它们在光电探测、紫外激光、太阳能转化、纳米机械发电等方面的应用[4-6]。同时也有许多利用ZnO(或掺杂后)的纳米结构作为气敏传感的研究报道[7-8]，但基本上都是利用厚膜的形式，同样存在上述工作温度高、响应速度慢等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种响应速度快、灵敏度高、功耗小的场效应微腔气敏传感器。

本发明设计的场效应晶体管(FET)微腔气敏传感器，由气敏芯片1、金丝引线2、管座3和玻璃盖4组成，其结构如图1所示。其中，气敏芯片1粘结在管座3上，由金丝引线2引出电极，玻璃盖4与管座3封结，中间形成一微腔(约为0.6-10cm3)，两端由细管5引出，用以导入待探测气体。

本发明中，所述的气敏芯片1的结构原理见图2所示。它由金属氧化物纳米线、方块矩阵电极和基底组成，其中，单根金属氧化物纳米线8压在由光刻制备的方块矩阵电极下，两端作场效应管的源极6和漏极9，基底10采用P+硅片，作为场效应管的栅极，基底10上面表面制备有氧化层7。

本发明中，所述的金属氧化物纳米线8的材料可以是ZnO、SnO₂、TiO₂、In₂O₃等。所述氧化层7的材料可以是SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃等。

本发明设计的微腔气敏传感器具有如下特点：

a.单根的纳米线FET可设置在非常微小的腔体内，由于腔体小(即背景气体体积小)，只要极少量的被测气体进入就能快速与功能部分作用(可以作痕量探测)，因而响应速度大大提高，恢复时间也能大大缩短；

b.单根纳米线容易与电极形成良好接触；

c.利用纳米线高比表面和高表面活性的特点，可提高测试灵敏度；

d.利用工作电流作为自加热，而且由于纳米线所需工作电流非常小(通常为几纳安数量级)，因此功耗非常小；

e.可利用栅极电压来调制灵敏度、选择性等。

f.便于与其它分离装置结合作选择性探测。

此外，同一个微腔内可以并行制备多个气敏芯片器件，一方面可以作为备用，另一方面可对多个器件同时施加不同工作电流，利用不同气体的探测所需工作温度不同的特点，有望同时检测几种气体.

附图说明

图1为蒸汽法制备的ZnO纳米线的照片。

图2为本发明的微腔气敏传感器结构图示。

图3为基于单根金属氧化物纳米线的气敏芯片结构原理图。

图4为单根ZnO纳米线的气敏特性。其中，(A)不同氧气浓度下的电流变化(B)氧气气敏响应特性(C)酒精气敏响应特性。

图5为气敏传感器的湿敏特性，其中，(a)为微腔中不同湿度下样品电阻改变情况，(b)为环境温度变化时的影响特性。

图中标号：1.气敏芯片，2.金引线，3.管座，4.密封盖，5.导气管，6.金电极(源)，7.氧化层，8.纳米线，9.金电极(漏)，10.P+硅片。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

1、器件制备

本实施例材料用单根ZnO纳米线作为气敏材料，基底的氧化层7采用SiO₂，器件的制备分为气敏芯片的制备和气敏元件的封装两步。

气敏芯片的制备：