CN1635372A - 电子聚合物气体传感器阵列及其制备方法 - Google Patents

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蒋亚东
谢光忠
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Abstract

本发明提供了一种电子聚合物气体传感器阵列及其制备方法，它是将电子聚合物气体传感器阵列单元组成阵列，并设计制作在同一个芯片上，利用电子聚合物气体传感器阵列单元对NOx混合气体的交叉敏感特性，为精确得到混合气体中各气体的浓度提供核心敏感元件。电子聚合物气体传感器阵列单元是在MOS管结构基础上改进的结构，即通过在一个栅区开槽的标准MOS管的开槽区12沉积电子聚合物有机敏感膜11。本发明的电子聚合物气体传感器阵列具有灵敏度高、选择性好、精度高等特点，用于测试包括氧化氮、氨气、水汽等多种气体浓度。

Description

电子聚合物气体传感器阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，它特别涉及气体传感器阵列技术。
背景技术
氧化氮气体是大气中对环境和人类健康危害十分污染物。因此，研制氧化氮气体传感器以便及时准确地获知环境中有关污染源的NOx气体及其浓度，对环境监测和环境保护意义重大。SADAOKAYOSHIHIKO在1991年4月30日申请的专利“NO2 SENSOR ANDPRODUCTION THEREOF”就是一个典型的采用聚合物材料制备的NO2气体传感器专利，该传感器结构如图1所示。
由于单一气体传感器在混合气体中的交叉敏感特性，采用单一元件对多种气体及混合气体实现种类识别与组分分析是非常困难的。而利用具有不同选择性的多个气敏元件组成传感器阵列，即可充分利用传感器阵列所提供的交叉敏，再运用人工神经网络的模式识别技术对其响应输出谱进行分析，就可以实现传感器的选择性和提高传感器的测量精度。这种方法是一种很有前途的技术，因为各种气体的标准模式是通过反复训练自动生成的，无需建立气体响应的方程表达式，这对于难以写出精确响应方程式的气敏元件是极其有益的。
国外已有传感器阵列方面的专利，但大多采用金属氧化物作为敏感材料，其缺点是响应慢，工作时需要加热器。Baranzahi A.等人于1998年6月9日申请的专利“Gas sensing array for use at high temps.-comprises at least one sensing device on semiconductor substrate，whereelectric field changes outside semiconductor occur due to catalytic layerin contact with gas to be measured and mono or multilayer betweencatalyst and substrate”，采用了直流磁控溅射方法制备了单层或多层敏感膜，并在半导体基底上制出了半导体氧化物气体传感器阵列。近年来，可在室温工作的电子材料尤其是导电聚合物材料用作气体敏感材料日益得到重视。但是，采用有机电子材料制作成气体传感器阵列来实现对氧化氮气体的检测方面的专利国内外都还没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子聚合物气体传感器阵列及其制备方法，本发明的电子聚合物气体传感器阵列具有灵敏度高、选择性好、精度高等特点。
本发明所述的电子聚合物气体传感器阵列单元结构如图3所示。它包括n型Si基片7、p型掺杂半导体8、SiO2层9、Au/Cr电极10；其特征是它还包括电子聚合物有机敏感膜11、开槽区12，开槽区12位于标准的MOS管的栅区中心位置，电子聚合物有机敏感膜11制备在中心槽12中，电子聚合物有机敏感膜11可以采用对NO2气体敏感的聚苯胺、单酞菁及双酞菁络合物等聚合物材料。所述的单酞菁材料可以是酞菁铅、酞菁铜等材料，双酞菁络合物可以是双酞菁锶、双酞菁钐、双酞菁镨、双酞菁饵等材料。
本发明所述的电子聚合物气体传感器阵列是由开槽宽度不同的4个电子聚合物气体传感器阵列单元构成，每一个电子聚合物气体传感器阵列单元的源极、漏极均采用工字型结构，栅极采用S型结构，其中第1个电子聚合物气体传感器阵列单元和第2个电子聚合物气体传感器阵列单元共用同一个漏极，第2个电子聚合物气体传感器阵列单元和第3个电子聚合物气体传感器阵列单元共用同一个源极，第3个电子聚合物气体传感器阵列单元和第4个电子聚合物气体传感器阵列单元共用同一个漏极。电子聚合物气体传感器阵列制作在硅基片上，基片可采用n型硅或者高阻硅，形状可是长方形、方形或圆形。
本发明的电子聚合物气体传感器阵列的制备方法，它采用如下步骤：
第一步：设计电子聚合物气体传感器阵列结构并制作出MOS管工艺需要电子聚合物气体传感器阵列的光刻板；
第二步：利用第一步制作的电子聚合物气体传感器阵列光刻板，采用标准的MOS管工艺，制作出在栅区中心开槽的MOS管基片；
第三步：在制备出的MOS管基片的开槽区12，采用LB膜工艺或其他成膜工艺制备电子聚合物敏感膜11。
经过以上步骤后，就可以制备出本发明的电子聚合物气体传感器阵列。
电子聚合物气体传感器阵列单元实质是在MOS管结构基础上改进的结构，即通过在一个栅区开槽的标准MOS管的开槽区12沉积电子聚合物有机敏感膜11。S.M.SZE(史西蒙)所著的《半导体器件物理》说明了如图2所示的标准的MOS管结构图。
本发明所述的电子聚合物气体传感器阵列是将电子聚合物气体传感器阵列单元组成阵列，并设计制作在同一个芯片上，利用各敏感单元对NOx混合气体的交叉敏感特性，为精确得到混合气体中各气体的浓度提供核心敏感元件。本发明的电子聚合物气体传感器阵列具有灵敏度高、选择性好、精度高等特点，用于测试包括氧化氮、氨气、水汽等多种气体浓度。
附图说明
图1：典型的NO2气体传感器结构
其中，1是衬底，2是酞菁铅敏感薄膜，3、4是Pt电极，5、6是Pt引线。
图2：标准的MOS管结构
图3：电子聚合物气体敏感单元的剖面示意图
其中，7是n型Si基片，8是p型掺杂半导体，9是SiO2层，10是Au/Cr电极，11是电子聚合物有机敏感膜，12是开槽区，L表示沟道长度，W是开槽宽度。
图4：2×2电子聚合物气体传感器阵列的平面示意图
其中，13是n型Si基片，14是源极，15是漏极，16是栅极。
图5：60层LB膜的电子聚合物气体敏感单元的输出特性曲线
图6：60层LB膜的电子聚合物气体敏感单元的IDS与响应时间的关系曲线
具体实施方式
按照图4所示的电子聚合物气体传感器阵列结构设计并制作出MOS管工艺需要的光刻板，采用标准的MOS管工艺，制作出本发明所述的栅区开槽的MOS管基片。基片经清洗后，在基片一侧表面微加工阵列结构的叉指电极，电极材料为金或钯银合金。在含电极的基片上采用LB膜工艺制备出敏感膜，并在所有电极端引出引线。
聚合物敏感膜的LB膜工艺具体工艺为：使用LB拉膜仪制备Pr(Pc)2/OA复合型LB多层膜，在表面压为32.5mN/m，亚相水温度为25℃，pH＝6.8的条件下，将Pr(Pc)2/OA LB膜以Y型方式转移到电子聚合物气体传感器阵列元的栅区部位，形成不同层数的LB膜电子聚合物气体传感器阵列。
利用标准气体稀释装置配制所需的气体，将电子聚合物气体传感器阵列放入氧化氮气体测试系统中，对Pr(Pc)2/OA复合LB膜电子聚合物气体传感器阵列单元的气敏特性进行测试。
图5为60层LB膜的电子聚合物气体传感器阵列单元的输出特性曲线，从图5可以看出，气体浓度越大，IDS的变化越大，响应越快；图6为60层LB膜的电子聚合物气体传感器阵列单元的IDS与响应时间的关系曲线，它十分类似于MOSFET的输出特性曲线，从图6可以看出，其漏电流IDS随气体浓度的增加，漏电流增大。

Claims (2)

1、一种电子聚合物气体传感器阵列，其特征是由开槽宽度不同的4个电子聚合物气体传感器阵列单元构成，所述的电子聚合物气体传感器阵列单元结构包括n型Si基片(7)、p型掺杂半导体(8)、SiO2层(9)、Au/Cr电极(10)，它还包括电子聚合物有机敏感膜(11)、开槽区(12)，开槽区(12)位于标准的MOS管的栅区中心位置，电子聚合物有机敏感膜(11)制备在中心槽(12)中，电子聚合物有机敏感膜(11)可以采用对NO2气体敏感的聚苯胺、单酞菁及双酞菁络合物等聚合物材料；所述的单酞菁材料可以是酞菁铅、酞菁铜等材料，双酞菁络合物可以是双酞菁锶、双酞菁钐、双酞菁镨、双酞菁饵等材料；每一个电子聚合物气体传感器阵列单元的源极、漏极均采用工字型结构，栅极采用S型结构，其中第1个电子聚合物气体传感器阵列单元和第2个电子聚合物气体传感器阵列单元共用同一个漏极，第2个电子聚合物气体传感器阵列单元和第3个电子聚合物气体传感器阵列单元共用同一个源极，第3个电子聚合物气体传感器阵列单元和第4个电子聚合物气体传感器阵列单元共用同一个漏极；电子聚合物气体传感器阵列制作在硅基片上，基片可采用n型硅或者高阻硅，形状可是长方形、方形或圆形。
2、根据权利要求1所述的电子聚合物气体传感器阵列的制备方法，其特征是它采用如下步骤：
第一步：设计电子聚合物气体传感器阵列结构并制作出MOS管工艺需要电子聚合物气体传感器阵列的光刻板；
第二步：利用第一步制作的电子聚合物气体传感器阵列光刻板，采用标准的MOS管工艺，制作出在栅区中心开槽的MOS管基片；
第三步：在制备出的MOS管基片的开槽区(12)，采用LB膜工艺或其他成膜工艺制备电子聚合物敏感膜(11)。
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