CN203069539U - 用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件，硅基片衬底为n型单晶硅基片，硅基片衬底的上面设置有多孔硅层，该多孔硅层的平均孔径为170.28nm，厚度为68.78μm，多孔硅层的上面设置有氧化钨薄膜，薄膜厚度为35nm，所述多孔硅层与氧化钨薄膜形成多孔硅基氧化钨纳米复合结构；氧化钨薄膜的上表面设置有铂电极正极和铂电极负极。本实用新型在室温下即可对超低浓度氮氧化物气体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、工艺成熟、价格低廉，有望在气敏传感器领域获得推广应用。
Description
技术领域
本实用新型是关于一种气敏传感器的，尤其涉及一种可以室温工作的且适用于检测氮氧化物气体的纳米尺寸孔道有序多孔硅基氧化钨薄膜纳米复合结构气敏元件。
背景技术
20世纪以来，随着工业技术的飞速发展，生产过程中带来的各种气体污染物大量增加。尤其氮氧化物(NOx)作为一种强毒性气体，是酸雨和光化学烟雾的主要来源，已对人类的健康和安全构成严重威胁。因此对氮氧化物气体的检测成为近年来的研究热点。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。迄今为止，在被研究的半导体金属氧化物气敏材料中，氧化钨对NOx气体有很高的灵敏度和选择性，是一种极有研究与应用前景的敏感材料。然而氧化钨材料工作温度较高(通常为150°C～250°C)，长时间在高温下工作会使氧化钨薄膜的微结构逐渐趋于致密，致使气体在敏感材料内扩散变得十分困难，造成传感器的稳定性变差。为此科技人员一直在致力于降低敏感材料的工作温度乃至室温工作的研究。
根据以往的研究表明，掺杂或者形成复合型气敏材料是降低氧化钨材料工作温度的一种有效途径，并且可以进一步提高对NOx的灵敏度和选择性。因此制备复合气敏材料是实现室温探测低浓度NOx的有效途径。
发明内容
本实用新型的目的，是克服现有氧化钨气敏传感器存在的不足，提供一种对超低浓度氮氧化物气体具有高灵敏度和快速响应/恢复特性，并且体积小巧、结构简单、使用方便、价格低廉，可以实现室温工作的多孔硅基氧化钨纳米复合结构气敏传感器元件。
本实用新型通过如下技术方案予以实现。
一种用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件，包括硅基片衬底和铂电极，其特征在于，所述硅基片衬底1为n型单晶硅基片，尺寸为2.4cm×0.9cm；硅基片衬底1的上面设置有多孔硅层2，该多孔硅层2的平均孔径为170.28nm，厚度为68.78μm，多孔硅层2的上面设置有氧化钨薄膜3，薄膜厚度为35nm，所述多孔硅层2与氧化钨薄膜3形成多孔硅基氧化钨纳米复合结构；氧化钨薄膜3的上表面设置有铂电极正极4和铂电极负极5。
所述铂电极正极4和铂电极负极5为0.2cm×0.2cm的方形铂电极，电极间距为0.8cm。
所述铂电极正极4和铂电极负极5的厚度为80nm。
本实用新型的传感器首创采用孔径约170nm，兼有高孔隙率和孔道高度有序排列的硅基纳米尺寸多孔硅复合表面疏松多孔且含有大量氧空位的氧化钨薄膜作为气敏材料，因巨大的比表面积可提供大量的气体吸附位置和直接的气体扩散通道。多孔硅基氧化钨气敏传感器元件在室温下即可对超低浓度氮氧化物气体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是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件的结构示意图；
图1中的附图标记为：
1————硅基片衬底 2————多孔硅层
3————氧化钨薄膜 4————铂电极正极
5————铂电极负极
图2是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件在不同工作温度下对1ppm NO2的灵敏度；
图3是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件在室温下对30～1000ppb NO2气体的动态连续响应曲线；
图4是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件在室温下对500ppb NO2气体的重复性曲线；
图5是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件在室温下对不同气体的选择性示意图；
图6是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件在空气中放置不同时间后在室温下对1ppm NO2的灵敏度。
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1是本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件的结构示意图，图中的硅基片衬底1为n型单晶硅基片，尺寸为2.4cm×0.9cm；硅基片衬底1的上面设置有多孔硅层2，该多孔硅层2的平均孔径为170.28nm，厚度为68.78μm，多孔硅层2的上面设置有氧化钨薄膜3，薄膜厚度为35nm，所述多孔硅层2与氧化钨薄膜3形成多孔硅基氧化钨纳米复合结构；氧化钨薄膜3的上表面设置有铂电极正极4和铂电极负极5。所述铂电极正极4和铂电极负极5为0.2cm×0.2cm的方形铂电极，电极厚度为80nm，电极间距为0.8cm。
本实用新型用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件的制备方法，步骤如下：
1）清洗硅基片衬底：
将电阻率为0.01Ω·cm，厚度为400μm，(100)晶向的2寸n型单面抛光的单晶硅片，切割成尺寸为2.4cm×0.9cm的矩形硅基底，依次放入丙酮溶剂、无水乙醇和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；
2）制备硅基纳米尺寸孔道有序多孔硅：
利用双槽电化学法在硅片的抛光表面制备多孔硅层。所用腐蚀电解液由质量分数40%的氢氟酸与去离子水组成，体积比为1：5，不添加表面活性剂和附加光照，施加的腐蚀电流密度为125mA/cm2，腐蚀时间为20min；其中多孔硅形成区域为1.6cm×0.4cm。制备的硅基纳米尺寸孔道有序多孔硅平均孔径为170.28nm，厚度为68.78μm，表面形貌为多边形孔组成的蜂窝状结构，截面形貌为笔直圆柱形的孔道高度有序排列，其表面形貌和剖面结构来自扫描电子显微镜分析；
3）制备多孔硅基氧化钨纳米复合结构：
将步骤(2)制备的硅基多孔硅置于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99.95%的金属钨靶材，本体真空度为3.7×10-4Pa，以质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，以质量纯度为99.999%的氧气作为反应气体，气体流量分别为45sccm和5sccm，溅射工作压强为1.0Pa，溅射功率90～100W，溅射时间为9min，在硅基多孔硅表面溅射沉积氧化钨纳米薄膜，基片温度为室温。随后将制得的多孔硅基氧化钨薄膜置于程序烧结炉中，于450°C空气气氛热处理4h，控制升温速率为2.5°C/min。所制备的氧化钨薄膜厚度为35nm，薄膜粗糙且不连续，存在大量的沟道状结构，表面结构极其疏松，比表面积很高并为气体扩散提供了大量通道，并与多孔硅层形成了异质结纳米复合结构，上述表面形貌来自扫描电子显微镜分析；
4）制备多孔硅基氧化钨纳米复合结构气敏传感器元件：
将步骤(3)中制得的多孔硅基氧化钨纳米复合结构置于DPS-Ⅲ超高真空对靶磁控溅射设备的真空室。本体真空度4.5×10-4Pa，采用质量纯度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，氩气气体流量为24sccm，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率90W，溅射时间8min，基片温度为室温，在氧化钨薄膜表面溅射一对尺寸为0.2cm×0.2cm的方形铂电极，电极厚度为80nm，电极间距为0.8cm。
应用本实用新型多孔硅基氧化钨纳米复合结构气敏传感器元件的使用效果如下：
应用本传感器元件对超低浓度NO2气体具有明显的气体响应，该气敏元件在不同工作温度下对1ppm NO2气体的灵敏度如图2所示，在室温25°C、50°C、75°C、100°C下的灵敏度分别为6.478、3.86、2.762和1.467，灵敏度随温度的升高显著下降，这表明其最佳工作温度为室温。该气敏元件对超低浓度NO2气体具有明显的气体响应，在室温下对不同浓度NO2气体的动态响应曲线如图3所示，对30、60、125、250、500、750、1000ppb NO2的灵敏度分别为2.406、2.910、3.784、4.892、5.994、6.597、6.992，灵敏度随NO2浓度的升高而逐渐增大；该气敏元件多次暴露于500ppb NO2，平均响应和恢复时间分别为76s和 144s，表现出良好的重复性和较快的气体响应/恢复特性，四次循环测试结果显示于图4。
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6.478、1.183、1.053、2.133、1.024、1.052、1.062、1.087。表明本传感器元件在室温时对NO2气体具有一定的选择性，结果如图5所示。
应用本传感器元件在35天的放置时间内对NO2可保持一定的敏感性能，在大气环境下放置一周、两周、三周、四周和五周后对1ppm NO2的灵敏度分别为6.898、5.449、4.871、4.278、3.066，表明本传感器元件具有良好的长期稳定性，结果如图6所示。
Claims (3)
1.一种用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件，包括硅基片衬底和铂电极，其特征在于，所述硅基片衬底（1）为n型单晶硅基片，尺寸为2.4cm×0.9cm；硅基片衬底（1）的上面设置有多孔硅层（2），该多孔硅层（2）的平均孔径为170.28nm，厚度为68.78μm，多孔硅层（2）的上面设置有氧化钨薄膜（3），薄膜厚度为35nm，所述多孔硅层（2）与氧化钨薄膜（3）形成多孔硅基氧化钨纳米复合结构；氧化钨薄膜（3）的上表面设置有铂电极正极（4）和铂电极负极（5）。
2.根据权利要求1的用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件，其特征在于，所述铂电极正极（4）和铂电极负极（5）为0.2cm×0.2cm的方形铂电极，电极间距为0.8cm。
3.根据权利要求1的用于室温检测超低浓度氮氧化物气体的气敏元件，其特征在于，所述铂电极正极（4）和铂电极负极（5）的铂薄膜厚度为80nm。
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