[发明专利]一种基于机薄膜晶体管甲烷气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于机薄膜晶体管甲烷气体传感器及其制备方法。

背景技术

甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。甲烷气体爆炸引发的事故在矿开采行业已造成了极大的危害。甲烷爆炸作为煤矿安全问题的主要威胁之一，造成巨大的经济损失和工作人员的牺牲。甲烷对人基本无毒，属微毒类，皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。但浓度过高时，空气中氧含量会明显降低，致使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速等。若不及时远离，可致窒息死亡。甲烷的燃点只有63℃左右，在空气中含量为5%-15%时，遇明火就会产生爆炸，当含量达到9.5%时爆炸最强烈。因此，准确地检测周围环境甲烷的浓度对保护工作人员的生命安全具有十分重要的意义。

目前，常用的甲烷检测的方法有光干涉检测法(比如中国专利CN 201984032 U 、CN 201780268 U 、CN 1010957318 A 、CN  201844973 U、CN 101915123 A、200520033421.0等) ，催化燃烧法（中国专利CN 101695658），以及气相色谱法等。其中，光干涉检测法与催化燃烧法都有着不同程度的成本消耗高的缺点；光干涉法不能进行连续测量，对气体浓度指示不直观；虽然催化燃烧法响应灵敏度高、对气体的选择性好，但测值稳定性差、精度较低，而且其响应信号容易受到干扰，存在零点漂移和输出灵敏度的变化。 

有机材料价格低廉、材料来源广泛、与柔性基底相兼容等特点使有机薄膜晶体管使在气体传感器方面的发展和应用引起了人们的广泛关注。有机薄膜晶体管气体传感器响应速度快、选择性、可逆性好、可室温工作，而且能够微型化、阵列化。OTFT具有独特的优势，它能够提供多参数的响应，比如：在甲烷环境下测量，可以观察到开关电流比的变化、阈值电压的漂移、迁移率的变化等等，从低价格、低功耗、可大规模生产方面来说，有机薄膜晶体管气体传感器是一个新的发展视角。

发明内容

本发明目的在于克服传统的检测甲烷传感器的缺点，提供一种制备工艺简单，生产成本低廉，用于检测甲烷并且能够多参数响应的一种基于机薄膜晶体管甲烷气体传感器及其制备方法。

一种基于机薄膜晶体管甲烷气体传感器,包括玻璃衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、漏电极4源电极5、具有气体探测功能的有机层6组成，其特征在于：栅极绝缘层3位于刻蚀有栅极2的衬底1上，源电极5和漏电极6位于栅极绝缘层3之上，有机层6连接源电极5和漏电极4，有机层6既作为有机薄膜场效应晶体管器件的基本结构组成部分又作为敏感功能层。 

进一步的说，所述有机层6以p型半导体材料并苯类为原料，由并三苯、并四苯、并五苯、6,13-二三异丙酯硅基乙炔并五苯、3,4-苯并芘、六苯并苯、6,13-五并苯醌中的至少一种构成。

进一步的说，所述有机层6的厚度为5-500 nm。

进一步的说，所述衬底1由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。

进一步的说，所述栅电极2、源电极5和漏电极4由低电阻的金属及其合金材料、金属氧化物或导电复合材料制成，源电极5和漏电极4的厚度为10-300 nm。

进一步的说，所述栅极绝缘层3的厚度为20-2000 nm。

一种基于机薄膜晶体管甲烷气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

①先对衬底（1）进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在衬底表面制备栅电极（2）；

③在栅电极（2）上面制备栅极绝缘层（3）并对绝缘层进行处理；

④在所述栅极绝缘层（3）上制备源电极（5）和漏电极（4）；

⑤在源电极（5）和漏电极（4）之间制备用于探测甲烷气体的有机层（6）。

进一步说，制备方法中所述栅电极（2）、源电极（5）、漏电极（4）通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任一方法制备。

进一步说，制备方法中所述栅极绝缘层（3）通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的任一方法制备。 

进一步说，制备方法中所述有机层（6）通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、旋涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的任一方法制备。