CN202928977U - 一种氮氧化物气敏传感器元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氮氧化物气敏传感器元件，包括硅基片衬底（1）、铂电极（3），其特征在于，所述硅基片衬底（1）与铂电极（3）之间设置有多孔硅敏感层（2）；所述多孔硅敏感层（2）是利用双槽电化学腐蚀法在硅片的抛光表面制备而成。本实用新型传感器首创采用孔径在100~200nm，兼有孔隙率高和孔洞高度有序排列的硅基多孔硅作为气敏材料，实现气体的快速吸/脱附；对于低浓度氮氧化物气体具有响应/恢复时间短、稳定性好、体积小巧、结构简单、制作工艺成熟、使用方便、价格低廉的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种气敏传感器的，尤其涉及一种适用于检测氮氧化物气体的多孔硅气敏传感器元件。
背景技术
现代工业飞速发展的同时不断给生态环境带来了严重的污染，工业废气、汽车尾气产生的氮氧化物气体（NOx）作为有毒有害气体，是酸雨和光化学烟雾的主要来源，对人类健康产生了极大的危害，已经受到世界范围内越来越广泛的关注与重视。各国纷纷制定相关政策和监控标准，根据意大利的标准，环境中NO2浓度应低于100ppb，我国规定的标准上限约为120ppb。随着人们环保意识的增强，安全生产要求的提高，急需能够有效监控和检测低浓度氮氧化物气体的高性能气敏传感器。目前现行的对氮氧化物气体进行检测的主流产品仍然以传统加热式的陶瓷烧结型、厚膜型半导体气敏传感器为主，体积大、功耗高且难于集成，在低浓度气体探测方面难以达到更高要求，这就为实现微小型化、集成化、低功耗的传感器技术的发展增加了复杂性和不稳定性。目前，实现对低浓度氮氧化物气体的室温探测仍然是一项极富挑战性的课题。
多孔硅是一种孔径尺寸、孔道深度可调的多孔性结构材料，因易于与硅芯片电路集成而引起人们的广泛兴趣。自1956年被发现以来，由于其特殊的多孔性微结构，表现出许多不同于单晶硅材料的物理化学特性而具有许多潜在应用价值，尤其利用多孔硅比表面积大，室温下表面化学活性很高的特点，室温下即可正常工作。当接触不同待测气体时，由于发生物理或化学吸附效应，引起气敏材料电学特性的显著变化，从而实现对检测气体的探测。
现有的多孔硅氮氧化物气敏传感器存在响应速度慢、恢复时间长等缺点，严重制约了其实际应用。其原因是多孔硅孔径较小（低于50nm），孔道呈现“海绵”或“树枝”状的无序性结构，严重影响了气体的吸附/脱附速率，而采用孔径在100～200nm，兼有孔隙率高和孔洞高度有序排列的多孔硅作为气敏材料有望解决上述问题。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有气敏传感器存在的不足，提供一种对低浓度氮氧化物气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性，快速响应/恢复特性，并且体积小巧、结构简单、功耗低、制作工艺成熟、使用方便、价格低廉，可以实现硅基集成的气敏传感器元件。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种氮氧化物气敏传感器元件，包括硅基片衬底（1）、铂电极（3），其特征在于，所 述硅基片衬底（1）与铂电极（3）之间设置有多孔硅敏感层（2）；
所述硅基片衬底（1）为2.2cm×0.8cm的矩形硅基片衬底。
本实用新型的传感器首创采用孔径在100～200nm，兼有孔隙率高和孔洞高度有序排列的硅基多孔硅作为气敏材料，可提供大量的气体吸附位置和有效的气体扩散通道，实现气体的快速吸/脱附。多孔硅氮氧化物气敏传感器元件在室温下对低浓度氮氧化物气体便具有较高的响应值和很好的选择性，响应/恢复时间短，稳定性好，且体积小巧、结构简单、制作工艺成熟、使用方便、价格低廉，有望在气敏传感器领域获得推广应用。
附图说明
图1是本实用新型多孔硅表面形貌的扫描电子显微镜照片；
图2是本实用新型多孔硅剖面形貌的扫描电子显微镜照片；
图3是本实用新型多孔硅氮氧化物气体传感器元件的结构示意图；
图中：1为硅基片衬底，2为多孔硅敏感层，3为铂电极，标有“
”为正极，“”为负极；
图4是本实用新型多孔硅氮氧化物气敏传感器元件在室温下对不同浓度NO2气体的动态连续响应曲线图；
图5是本实用新型多孔硅氮氧化物气敏传感器元件在室温下对0.5ppm NO2气体的响应/恢复曲线图；
图6是本实用新型多孔硅氮氧化物气敏传感器元件在室温下对不同气体的选择性示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
图3是本实用新型多孔硅氮氧化物气敏传感器元件的结构示意图，本实用新型包括硅基片衬底1、铂电极3，所述硅基片衬底1与铂电极3之间设置有多孔硅敏感层2。
本实用新型氮氧化物气敏传感器元件的制备方法，步骤如下：
（1）清洗硅基片衬底
将电阻率为0.015Ω·cm的n型（100）晶面的单面抛光的单晶硅片，切割成尺寸为2.2cm×0.8cm的矩形硅基底，依次放入丙酮溶剂，无水乙醇、去离子水中分别超声清洗20分钟，随后放入质量分数为5%的氢氟酸水溶液中浸泡15分钟，再用去离子水洗净备用。
（2）制备硅基多孔硅敏感层
利用双槽电化学腐蚀法在硅片的抛光表面制备多孔硅层。先把腐蚀液加入电化学腐蚀槽内，再向两个半槽分别插入一对铂金属电极作为阴极和阳极，然后把硅片装配在夹具内，夹具两面开设有矩形的腐蚀窗口，窗口尺寸为1.6cm×0.4cm。为增加密封性，夹具四周用 密封胶带缠好，紧密固定在腐蚀槽中部的插槽里。直流稳压恒流源连接阳极和阴极，接通电流进行腐蚀，所用腐蚀液为质量分数为7%的氢氟酸水溶液，施加的腐蚀电流密度为125mA/cm2，腐蚀时间为20分钟，室温条件下制备。腐蚀过程结束后，制得硅基多孔硅敏感层。
本实用新型的多孔硅敏感层表面形貌和剖面结构的扫描电子显微镜照片如图1和图2所示，制备的多孔硅参数的平均孔径为170.28nm，多孔硅层厚度为68.78μm，孔隙率达到75.73%，表面形貌为不规则多边形孔组成的蜂窝状结构，剖面形貌为相互隔离的笔直圆柱形孔道高度有序排列。
（3）制作气敏传感器元件
将硅基多孔硅置于DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.95%的金属铂作为靶材，以质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，本底真空度4.0×10-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为24mL/min，溅射工作压强为2Pa，溅射功率90W，溅射时间8min，在多孔硅表面溅射一对尺寸为0.2cm×0.2cm的方形铂电极，电极间距为0.8cm，制成的气敏传感器元件结构示意图如图3所示。
应用本实用新型多孔硅氮氧化物气敏传感器元件的使用效果如下。
制得的多孔硅氮氧化物气敏传感器元件在室温下对低浓度NO2气体具有明显的气体响应，对不同浓度NO2气体的电阻值动态响应曲线如图4所示，其中对0.1、0.25、0.5、0.75、1、1.5ppm NO2的灵敏度分别为1.307、2.003、2.304、2.912、3.359、3.706；应用本传感器元件多次暴露于0.5ppm NO2的气氛中，其电阻响应具有良好的可逆性、重复性和稳定性，平均响应和恢复时间为60s和150s，结果如图5所示。
应用本传感器元件在室温下对1ppm NO2、20ppm NH3、SO2、H2S、100ppm乙醇、丙酮、甲醇、异丙醇蒸汽的灵敏度分别为3.359、2.461、2.036、2.116、1.474、1.168、1.492、1.675。表明本传感器元件对低浓度NO2气体具有极佳的选择性，结果如图6所示。
本实用新型采用静态配气法在室温下测量多孔硅氮氧化物气敏传感器元件对检测气体的敏感特性，定义在氧化性气氛(如NO2)下气敏元件的灵敏度S=Rg/Ra，而在还原性气氛(如NH3)下气敏元件的灵敏度S=Ra/Rg，其中Rg、Ra分别为元件在检测气体和干燥空气中的电阻值。
Claims (1)
1.一种氮氧化物气敏传感器元件，包括硅基片衬底（1）、铂电极（3），其特征在于，所述硅基片衬底（1）与铂电极（3）之间设置有多孔硅敏感层（2）；
所述硅基片衬底（1）为2.2cm×0.8cm的矩形硅基片衬底。
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