CN102103103A - 一种用于检测氨气的传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体传感器，特别是一种用于检测氨气的有机薄膜晶体管气体传感器。栅绝缘层上设表面修饰层和功能层；源电极和漏电极分别连接于功能层，功能层以p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩为原料。本发明是结合当前半导体工业的主流技术，在硅衬底上利用有机半导体材料代替无机半导体材料作为器件的功能层，制备了底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管气体传感器，简化了器件的制作工艺，大大减少了器件的制作周期。另外，器件易于集成化、微型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，特别是一种用于检测氨气的传感器及其制备方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高和社会对环境质量的日益关注，人们越来越需要对各种有毒、有害气体进行探测，对大气污染以及工业废气的监测都对气体传感器提出了高的要求。以钯栅氢敏场效应晶体管的问世为先导，各种类型的气敏器件相继研制成功并付诸应用。传统的半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。以悬栅场效应型气体传感器为例，器件采用气敏材料修饰于效应型晶体管的栅区，利用气敏材料吸附某一种气体后形成的电荷分布变化来改变栅区半导体的表面势，从而引起效应晶体管栅电压的变化，导致检测的漏电流改变的一种气体传感器。专利ZL96102646.4公开了一种检测二氧化氮的LB膜修饰的悬栅场效应型气体传感器及其制作方法。该发明设计了一种用单分子膜修饰的悬栅场效应型气体传感器，膜修饰于整个管芯，从而达到气体传感器常温下工作，灵敏度较高、选择性好、可以检测较低浓度气体的目的。
传统的无机薄膜晶体管气体传感器器件存在着加工工艺复杂、制作周期长和制备条件苛刻等不利的因素。有机薄膜晶体管由于制备成本低、加工工艺简单、选材范围宽广以及机械性能柔软等特点，特别适用于低成本、大面积应用的消费类电子产品。
发明内容
本发明目的在于提供一种工艺简单，制备条件温和的用于检测氨气的传感器及其制备方法。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
气体传感器，包括栅电极1、栅绝缘层2、源电极5和漏电极6组成，栅绝缘层2上设表面修饰层3和功能层4；源电极5和漏电极6分别连接于功能层4，功能层4以p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩为原料；功能层厚度达到400-1000纳米。
所述p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩中烷基为乙基、己基、辛基或十二烷基。所述p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩为聚(3-己基)噻吩。所述表面修饰层以十二烷基三氯硅烷为原料。所述栅电极为高掺杂硅栅电极。所述高掺杂硅栅电极为高掺杂p型硅栅电极或高掺杂n型硅栅电极。所述栅绝缘层采用氧化硅。
制备方法：首先将表面处理后涂有绝缘层的栅极进行清洗，其次将十二烷基三氯硅覆于其上进行修饰，再次将p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩作为功能层，以2000-4000转/分钟旋涂于修饰后的栅绝缘层，最后分别蒸镀源电机和漏电极。
所述功能层厚度达到400-1000纳米；所述蒸镀源电极和漏电极时速度在0.3-0.5纳米/秒，源电机为钙，蒸镀钙厚度达到100-300纳米，漏电极为金，蒸镀金厚度达到100-300纳米。
在所述高掺杂硅栅电极上氧化得到350-500纳米厚的氧化硅作为栅绝缘层。
原理：有机薄膜晶体管气体传感器以功能层的导电聚合物为气敏材料，在工作时气体传感器吸附的气体与高分子半导体之间产生电子授受关系，通过检测相互作用导致器件饱和源漏电流的变化(或功能层导电聚合物材料的场效应迁移率的变化)而得知检测气体分子存在的信息。
本发明所具有的优点：本发明利用有机半导体材料作为功能层，灵敏度和响应速度均达到目前市场上无机产品的性能指标，器件测试范围为0-500ppm，响应时间小于60秒。与无机材料产品相比，本发明制作工艺简单，周期短，制备条件温和。另外，器件易于集成化、微型化，在实时在线分析方面具有较大的优势。
附图说明
图1为本发明气体传感器示意图(其中1是栅极，2是绝缘层，3是绝缘层表面修饰层，4是功能层，5是源电极，6是漏电极)。
图2为本发明的气体传感器暴露在100ppm氨气气体中饱和源漏电流变化曲线图。
具体实施方式
实施例1
有机薄膜晶体管气体传感器，包括栅电极1、栅绝缘层2、源电极5和漏电极6组成，栅绝缘层2上设表面修饰层3和功能层4；源电极5和漏电极6分别连接于功能层4，功能层4以p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩为原料。所述p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩中烷基为乙基、己基、或十二烷基。优选：聚(3-己基)噻吩。
采用高平整度(小于2纳米)的高掺杂n型硅晶片作为衬底兼作栅极，在硅片上直接氧化得到350纳米厚氧化硅作为栅绝缘膜；而后利用H2SO4∶H2O2＝5∶1的酸性液清洗硅片，用超纯水冲洗后，再用H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶2∶1的碱性液清洗，再用乙醇超声3-5分钟，干燥后，将硅片放入十二烷基三氯硅烷浓度为10-20毫摩尔/升的甲苯溶液中，室温下静放24小时即可在栅绝缘层表面上修饰一层自组装膜；然后，以转速3000转/分钟，旋涂聚(3-己基)噻吩作为功能层，最后按照真空蒸镀的方法，蒸镀120纳米厚的金作为源电极和漏电极，蒸镀速率为3-5纳米/秒；即得气体传感器。
将上述气体传感器在饱和工作状态时，由源漏电流对浓度为100ppm氨气气体的响应曲线(参见图2)可知，当本发明中功能层所使用的p型半导体材料聚噻吩吸附作为电子给体的还原性氨气后，二者之间发生电荷转移，聚噻吩的π共轭系统接受氨气分子上的孤对电子，导致聚噻吩薄膜的空穴数量因为与电子复合而下降，因此饱和源漏电流值降低。器件的响应时间小于60秒。
实施例2
采用高平整度(小于2纳米)的高掺杂p型硅晶片作为衬底兼作栅极，在硅片上直接氧化得到400纳米厚氧化硅作为栅绝缘膜；而后利用H2SO4∶H2O2＝4∶1的酸性液清洗硅片，用超纯水冲洗后，再用H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶1∶1的碱性液清洗，再用乙醇超声3-5分钟，干燥后，将硅片放入十二烷基三氯硅烷浓度为10-20毫摩尔/升的甲苯溶液中，室温下静放24小时即可在栅绝缘层表面上修饰一层自组装膜；然后，以转速3500转/分钟，旋涂聚(3-十二烷基)噻吩作为功能层，最后按照真空蒸镀的方法，蒸镀200纳米厚的铂作为源电极和漏电极，蒸镀速率为3-5纳米/秒；即得气体传感器。
实施例3
采用高平整度(小于2纳米)的高掺杂p型硅晶片作为衬底兼作栅极，在硅片上直接氧化得到500纳米厚氧化硅作为栅绝缘膜；而后利用H2SO4∶H2O2＝4∶1的酸性液清洗硅片，用超纯水冲洗后，再用H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶2∶1的碱性液清洗，再用乙醇超声3-5分钟，干燥后，将硅片放入十二烷基三氯硅烷浓度为10-20毫摩尔/升的甲苯溶液中，室温下静放24小时即可在栅绝缘层表面上修饰一层自组装膜；然后，以转速3500转/分钟，旋涂聚(3-乙基)噻吩作为功能层，最后按照真空蒸镀的方法，蒸镀250纳米厚的铂作为源电极和漏电极，蒸镀速率为3-5纳米/秒；即得气体传感器。
实施例4
采用高平整度(小于2纳米)的高掺杂p型硅晶片作为衬底兼作栅极，在硅片上直接氧化得到500纳米厚氧化硅作为栅绝缘膜；而后利用H2SO4∶H2O2＝4∶1的酸性液清洗硅片，用超纯水冲洗后，再用H2O∶H2O2∶NH4OH＝5∶1∶1的碱性液清洗，再用乙醇超声3-5分钟，干燥后，将硅片放入十二烷基三氯硅烷浓度为10-20毫摩尔/升的甲苯溶液中，室温下静放24小时即可在栅绝缘层表面上修饰一层自组装膜；然后，以转速4000转/分钟，旋涂聚(3-己基)噻吩作为功能层，最后按照真空蒸镀的方法，蒸镀250纳米厚的铂作为源电极和漏电极，蒸镀速率为3-5纳米/秒；即得气体传感器。
Claims (10)
1.一种用于检测氨气的传感器，包括栅电极(1)、栅绝缘层(2)、源电极(5)和漏电极(6)组成，其特征在于：栅绝缘层(2)上设表面修饰层(3)和功能层(4)；源电极(5)和漏电极(6)分别连接于功能层(4)，功能层(4)以p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩为原料；功能层厚度达到400-1000纳米。
2.按权利要求1所述的用于检测氨气的传感器，其特征在于：所述p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩中烷基为乙基、己基、辛基或十二烷基。
3.按权利要求1或2所述的用于检测氨气的传感器，其特征在于：所述p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩为聚(3-己基)噻吩。
4.按权利要求1所述的一种用于检测氨气的传感器，其特征在于：所述表面修饰层以十二烷基三氯硅烷为原料。
5.按权利要求1所述的用于检测氨气的传感器，其特征在于：所述栅电极为高掺杂硅栅电极。
6.按权利要求5所述的用于检测氨气的传感器，其特征在于：所述高掺杂硅栅电极为高掺杂p型硅栅电极或高掺杂n型硅栅电极。
7.按权利要求1所述的用于检测氨气的传感器，其特征在于：所述栅绝缘层采用氧化硅。
8.一种按权利要求1所述的用于检测氨气的传感器的制备方法，其特征在于：首先将表面处理后涂有绝缘层的栅极进行清洗，其次将十二烷基三氯硅采覆于其上进行修饰，再次将p型有机半导体材料聚(3-烷基)噻吩作为功能层，以2000-4000转/分钟旋涂于修饰后的栅绝缘层，最后分别蒸镀源电机和漏电极。
9.按权利要求8所述的用于检测氨气的传感器的的制备方法，其特征在于：所述功能层厚度达到400-1000纳米；所述蒸镀源电极和漏电极时速度在0.3-0.5纳米/秒，源电机为钙，蒸镀钙厚度达到100-300纳米，漏电极为金，蒸镀金厚度达到100-300纳米。
10.按权利要求8所述的用于检测氨气的传感器的的制备方法，其特征在于：在所述高掺杂硅栅电极上氧化得到350-500纳米厚的氧化硅作为栅绝缘层。
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