CN117783244A - 传感器敏感模块、钌岛增强氨气传感器和氨气中氨分子检测方法 - Google Patents

Abstract

传感器敏感模块、钌岛增强氨气传感器和氨气中氨分子检测方法，涉及气体传感技术领域。为解决现有技术中存在的，现今氨气传感器的研究中，对于提高灵敏度遇到了新的瓶颈，因为金属氧化物纳米颗粒的活性位点有限，不能充分催化氨气分子的分解的技术问题，本发明提供的技术方案为：传感器敏感模块，所述模块包括：底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、连接所述沟道材料层的漏极材料、起隔绝用作的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层。所述底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、起隔绝用作的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层依次紧密层叠。可以应用于医疗诊断、空气质量检测、化工厂安全预警等领域。

Description

传感器敏感模块、钌岛增强氨气传感器和氨气中氨分子检测 方法

技术领域

涉及气体传感技术领域。

背景技术

气体传感技术在环境监测、医疗诊断、工业安全等方面为人类做出了极大贡献。因此，各种类型的气体传感器已经被不断地研究和开发。

目前四种常见的气体传感器结构为：电阻、光学、电化学和场效应晶体管型(FET型)气体传感器。电阻式气体传感器是研究最多的气体传感器类型之一。通过测量暴露于气体后传感器的电阻变化来检测目标气体。它们既便宜又易于制造。由于结构非常简单，可以很容易地应用各种传感材料，如半导体金属氧化物、碳纳米材料、石墨烯基材料、过渡金属二硫族化合物等。光学传感器一般包含光源、气室和光探测器三个主要部分，其具有高选择性和快速响应的优点，但难于小型化，成本较高，同时易于受到环境光的干扰。电化学传感器成本低，但对工作温度范围要求严格，同时存在寿命短，需要对电解质溶液进行维护和校准的问题。

FET型气体传感器使用敏感材料作为栅极或沟道，当它们暴露于目标气体时，这些传感器的阈值电压发生偏移导致源漏电流发生变化，从而指示目标气体浓度。敏感栅极型传感器除将敏感材料作为栅极外，还可以施加背栅调节沟道电流，利用这一方法调节传感器的初始点在FET转移曲线上的位置，能够得到优化的传感器性能。

然后，现今氨气传感器的研究中，对于提高灵敏度遇到了新的瓶颈，一篇关于氨气传感器的研究，使用了金属氧化物纳米颗粒作为传感器的敏感材料，并将其集成到场效应晶体管(FET)结构中。该传感器利用氨气与金属氧化物纳米颗粒之间的化学反应来改变FET的电流，从而实现对氨气的检测。然而，该传感器存在灵敏度较低的问题，因为金属氧化物纳米颗粒的活性位点有限，不能充分催化氨气分子的分解。

发明内容

为解决现有技术中存在的，现今氨气传感器的研究中，对于提高灵敏度遇到了新的瓶颈，因为金属氧化物纳米颗粒的活性位点有限，不能充分催化氨气分子的分解的技术问题，本发明提供的技术方案为：

传感器敏感模块，所述模块包括：

底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、连接所述沟道材料层的漏极材料、起隔绝作用作用的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层。

进一步，提供一个优选实施方式，所述底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、起隔绝作用的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层依次紧密层叠。

进一步，提供一个优选实施方式，所述漏极材料与所述沟道材料层的边缘接触，用于连接电源。

进一步，提供一个优选实施方式，所述底栅极材料层采用高导电性金属、二维导电材料或有机导电材料。

进一步，提供一个优选实施方式，所述介电层2用于隔绝所述底栅极材料层与沟道材料层，采用具有介电性质的材料。

进一步，提供一个优选实施方式，所述沟道材料层采用掺杂硅、二维碳材料、过渡金属硫化物或黑磷。

进一步，提供一个优选实施方式，所述的敏感材料层采用岛型Ru材料。

进一步，提供一个优选实施方式，所述介电层1用于隔绝所述沟道材料层和敏感材料层，采用具有介电性质的材料。

基于同一发明构思，本发明还提供了钌岛增强氨气传感器，所述传感器包括：所述的传感器敏感模块。

基于同一发明构思，本发明还提供了氨气中氨分子检测方法，所述方法是基于所述的钌岛增强氨气传感器实现的，所述方法包括：

对氨气进行催化分解，得到氢原子的步骤；

将所述氢原子穿过所述敏感材料到达所述敏感材料和所述介电层1之间的界面的步骤；

采集因为所述氢原子调节所述沟道材料层内载流子的浓度后，电流大小变化的步骤。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益之处在于：

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，从气体传感器的结构上创新，实现传感器灵敏度的提升和检测极限的进一步降低。

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，利用金属钌作为传感器的敏感栅极，构造互相分离的钌孤岛，增加钌的活性位点数量，提高传感器对氨气的灵敏度。

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，用各种二维半导体材料构造场效应晶体管(FET)，将敏感材料作为栅极或沟道，当暴露于氨气中时，传感器的阈值电压发生偏移，导致源漏电流发生变化，指示目标气体浓度。

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，通过栅极电压对FET源漏电流的调控作用，实现对氨气的高灵敏度检测功能。

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，氨气分子吸附在钌孤岛的表面后被分解，一部分氢原子到达钌与介电层的界面，与沟道材料的电子形成偶极层，从而改变了FET沟道的电流。电流变化的幅值大小及对应于氨气浓度高低。

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，通过调节底栅极，将传感器的初始工作点调节到转移曲线的斜率最大位置，实现对低浓度氨气的高灵敏度检测。

本发明提供的钌岛增强氨气传感器，可以应用于医疗诊断、空气质量检测、化工厂安全预警等领域。

附图说明

图1为钌岛增强氨气传感器的整体示意图；

图2为图1的一个实施个例示意图；

图3为Ru岛的SEM图像。

具体实施方式

为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：

传感器敏感模块，所述模块包括：

底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、连接所述沟道材料层的漏极材料、起隔绝作用的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、起隔绝作用的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层依次紧密层叠。

实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述漏极材料与所述沟道材料层的边缘接触，用于连接电源。

实施方式四、本实施方式是对实施方式一提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述底栅极材料层采用高导电性金属、二维导电材料或有机导电材料。

实施方式五、本实施方式是对实施方式一提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述介电层2用于隔绝所述底栅极材料层与沟道材料层，采用具有介电性质的材料。

实施方式六、本实施方式是对实施方式一提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述沟道材料层采用掺杂硅、二维碳材料、过渡金属硫化物或黑磷。

实施方式七、本实施方式是对实施方式一提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述的敏感材料层采用岛型Ru材料。

实施方式八、本实施方式是对实施方式一提供的传感器敏感模块的进一步限定，所述介电层1用于隔绝所述沟道材料层和敏感材料层，采用具有介电性质的材料。

实施方式九、本实施方式提供了钌岛增强氨气传感器，所述传感器包括：实施方式一提供的传感器敏感模块。

具体的，针对氨气传感器灵敏度提升遇到的瓶颈问题，本实施方式提供了一种基于钌孤岛增强的FET型氨气传感器。从气体传感器的结构上创新，实现传感器灵敏度的提升和检测极限的进一步降低。氨气分子吸附在Ru孤岛的表面后被分解，一部分氢原子到达Ru孤岛与介电层的界面，与沟道材料的电子形成偶极层，从而改变了FET沟道的电流。电流变化的幅值大小及对应于氨气浓度高低。

如图1所示，为所设计的氨气传感器核心敏感结构。从下至上依次为底栅极，介电层2，源漏电极及沟道，介电层1，敏感材料(顶栅)。

除敏感材料为岛型Ru外其他部分材料有多种选择。

底栅极为传感器提供底栅，调节传感器的初始工作点，可以采用高掺杂硅、金银铜等高导电性金属、石墨烯等二维导电材料及有机导电材料。

介电层2起到隔绝底栅极和沟道材料的作用，可以采用氧化硅、氧化铝、氮化硼、高介电常数材料(氧化钇、氧化铪等)、有机绝缘材料(聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等)等具有介电性质的材料。

传感器衬底上的源漏电极主要起到连接沟道与电源的作用，可以采用各种导电性良好的金属如金、银、铜等。

沟道材料可以采用掺杂硅、二维碳材料(石墨烯、碳纳米管(CNT)膜、二维层状的金属碳/氮化物等)、过渡金属硫化物(如二硫化锡、硒化钼)及黑磷等。

介电层1主要起到隔绝沟道与栅极电流的作用，可以采用氧化硅、氧化铝、氮化硼、高介电常数材料(氧化钇、氧化铪等)、有机绝缘材料(聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等)等具有介电性质的材料。

实施方式十、本实施方式提供了氨气中氨分子检测方法，所述方法是基于实施方式九提供的钌岛增强氨气传感器实现的，所述方法包括：

对氨气进行催化分解，得到氢原子的步骤；

将所述氢原子穿过所述敏感材料到达所述敏感材料和所述介电层1之间的界面的步骤；

采集因为所述氢原子调节所述沟道材料层内载流子的浓度后，电流大小变化的步骤。

具体的，感器工作原理如下：

1.采用一定的生产工艺保证得到的Ru形成一个个孤岛，其边缘位置增多，能够极大地提高活性位点的数量。

2.传感器暴露于氨气中时，Ru孤岛上的活性位点催化氨气分子分解为氮原子和氢原子，其中一部分氢原子运动到达Ru与介电层的界面处，氢原子与沟道中的电子形成偶极层，从而固定了一部分沟道中的电子。对于n沟道，此时沟道载流子数量减少从而电流减小；对于p沟道，此时载流子数量增加从而沟道电流增加。

3.氨气的浓度会影响被固定的电子数量，从而建立起电流变化幅值大小与浓度之间的关系。

4.底栅可以将传感器的初始工作点调节到转移曲线的斜率最大位置，从而少量的氨气引起的栅极电压变化虽小，但对应的电流变化依然很大，从而能够获得极低的检测极限。

5.通过上述传感器工作原理叙述，可以实现一种高灵敏度低检测极限的氨气传感器。

如图2和3所示，将传感器的各部分材料进行特殊化，作为本实施方式的一个实施个例：

1.所述的传感器底栅极为高掺杂硅，介电层2为氧化硅，其上部通过光刻和热蒸镀形成源漏电极。

2.所述的源漏电极采用金材料。

3.所述的介电层1采用氧化钇。

4.所述的沟道材料采用碳纳米管膜。

5.所述的Ru通过孔径80nm的阳极氧化铝模板作为牺牲模板使用电子束蒸镀得到。

通过上述一个具体实施方案，可以实现钌岛增强的氨气传感器的制造。该传感器通过Ru岛催化分解氨气得到的氢原子穿过敏感材料到达敏感材料与介电层1的界面处，在此界面形成偶极层，从而调节了沟道内载流子的浓度，最终反应为电流大小的变化。通过底栅极施加栅压，将CNT-FET的初始工作点调节到FET转移曲线的斜率最大处，较低的氨气浓度也能引起极大的电流响应，从而实现低检测极限和高灵敏度。

以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，不过以上所述的几个具体实施方式并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的合理修改和改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。

在本说明书的描述中，仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明之权利范围；另外，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (10)

1.传感器敏感模块，其特征在于，所述模块包括：

底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、连接所述沟道材料层的漏极材料、起隔绝作用的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层。

2.根据权利要求1所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述底栅极材料层、起隔绝作用的介电层2、沟道材料层、起隔绝作用的介电层1和设置在所述介电层表面的敏感材料层依次紧密层叠。

3.根据权利要求2所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述漏极材料与所述沟道材料层的边缘接触，用于连接电源。

4.根据权利要求1所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述底栅极材料层采用高导电性金属、二维导电材料或有机导电材料。

5.根据权利要求1所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述介电层2用于隔绝所述底栅极材料层与沟道材料层，采用具有介电性质的材料。

6.根据权利要求1所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述沟道材料层采用掺杂硅、二维碳材料、过渡金属硫化物或黑磷。

7.根据权利要求1所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述的敏感材料层采用岛型Ru材料。

8.根据权利要求1所述的传感器敏感模块，其特征在于，所述介电层1用于隔绝所述沟道材料层和敏感材料层，采用具有介电性质的材料。

9.钌岛增强氨气传感器，其特征在于，所述传感器包括：权利要求1所述的传感器敏感模块。

10.氨气中氨分子检测方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求9所述的钌岛增强氨气传感器实现的，所述方法包括：

对氨气进行催化分解，得到氢原子的步骤；

将所述氢原子穿过所述敏感材料到达所述敏感材料和所述介电层1之间的界面的步骤；

采集因为所述氢原子调节所述沟道材料层内载流子的浓度后，电流大小变化的步骤。