專利名稱：一種用于檢測氨氣的傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，特別是一種用于檢測氨氣的傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的不斷提高和社會對環(huán)境質(zhì)量的日益關(guān)注，人們越來越需要對 各種有毒、有害氣體進行探測，對大氣污染以及工業(yè)廢氣的監(jiān)測都對氣體傳感器提出了高 的要求。以鈀柵氫敏場效應晶體管的問世為先導，各種類型的氣敏器件相繼研制成功并付 諸應用。傳統(tǒng)的半導體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料做成的元 件，與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應，引起以載流子運動為特征的電導率或伏安特 性或表面電位變化。以懸柵場效應型氣體傳感器為例，器件采用氣敏材料修飾于效應型晶 體管的柵區(qū)，利用氣敏材料吸附某一種氣體后形成的電荷分布變化來改變柵區(qū)半導體的表 面勢，從而引起效應晶體管柵電壓的變化，導致檢測的漏電流改變的一種氣體傳感器。專利 ZL96102646. 4公開了一種檢測二氧化氮的LB膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器及其制作 方法。該發(fā)明設(shè)計了一種用單分子膜修飾的懸柵場效應型氣體傳感器，膜修飾于整個管芯， 從而達到氣體傳感器常溫下工作，靈敏度較高、選擇性好、可以檢測較低濃度氣體的目的。傳統(tǒng)的無機薄膜晶體管氣體傳感器器件存在著加工工藝復雜、制作周期長和制備 條件苛刻等不利的因素。有機薄膜晶體管由于制備成本低、加工工藝簡單、選材范圍寬廣以 及機械性能柔軟等特點，特別適用于低成本、大面積應用的消費類電子產(chǎn)品。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種工藝簡單，制備條件溫和的用于檢測氨氣的傳感器及其 制備方法。為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案為氣體傳感器，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極5和漏電極6組成，柵絕緣層2上 設(shè)表面修飾層3和功能層4 ；源電極5和漏電極6分別連接于功能層4，功能層4以ρ型有 機半導體材料聚(3-烷基)噻吩為原料；功能層厚度達到400-1000納米。所述ρ型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩中烷基為乙基、己基、辛基或十二烷 基。所述P型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩為聚(3-己基)噻吩。所述表面修飾層以 十二烷基三氯硅烷為原料。所述柵電極為高摻雜硅柵電極。所述高摻雜硅柵電極為高摻雜 P型硅柵電極或高摻雜η型硅柵電極。所述柵絕緣層采用氧化硅。制備方法首先將表面處理后涂有絕緣層的柵極進行清洗，其次將十二烷基三 氯硅覆于其上進行修飾，再次將P型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩作為功能層，以 2000-4000轉(zhuǎn)/分鐘旋涂于修飾后的柵絕緣層，最后分別蒸鍍源電機和漏電極。所述功能層厚度達到400-1000納米；所述蒸鍍源電極和漏電極時速度在0. 3-0. 5 納米/秒，源電機為鈣，蒸鍍鈣厚度達到100-300納米，漏電極為金，蒸鍍金厚度達到 100-300 納米。
在所述高摻雜硅柵電極上氧化得到350-500納米厚的氧化硅作為柵絕緣層。原理有機薄膜晶體管氣體傳感器以功能層的導電聚合物為氣敏材料，在工作時 氣體傳感器吸附的氣體與高分子半導體之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系，通過檢測相互作用導致器 件飽和源漏電流的變化(或功能層導電聚合物材料的場效應遷移率的變化)而得知檢測氣 體分子存在的信息。本發(fā)明所具有的優(yōu)點本發(fā)明利用有機半導體材料作為功能層，靈敏度和響應速 度均達到目前市場上無機產(chǎn)品的性能指標，器件測試范圍為0-500ppm，響應時間小于60 秒。與無機材料產(chǎn)品相比，本發(fā)明制作工藝簡單，周期短，制備條件溫和。另外，器件易于集 成化、微型化，在實時在線分析方面具有較大的優(yōu)勢。
圖1為本發(fā)明氣體傳感器示意圖(其中1是柵極，2是絕緣層，3是絕緣層表面修 飾層，4是功能層，5是源電極，6是漏電極)。圖2為本發(fā)明的氣體傳感器暴露在IOOppm氨氣氣體中飽和源漏電流變化曲線圖。
具體實施例方式實施例1有機薄膜晶體管氣體傳感器，包括柵電極1、柵絕緣層2、源電極5和漏電極6組 成，柵絕緣層2上設(shè)表面修飾層3和功能層4 ；源電極5和漏電極6分別連接于功能層4， 功能層4以ρ型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩為原料。所述ρ型有機半導體材料聚 (3-烷基)噻吩中烷基為乙基、己基、或十二烷基。優(yōu)選聚(3-己基)噻吩。采用高平整度(小于2納米)的高摻雜η型硅晶片作為襯底兼作柵極，在硅片上 直接氧化得到350納米厚氧化硅作為柵絕緣膜；而后利用 H2O2 = 5 1的酸性液 清洗硅片，用超純水沖洗后，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 2 1的堿性液清洗，再用乙醇 超聲3-5分鐘，干燥后，將硅片放入十二烷基三氯硅烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液 中，室溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然后，以轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/ 分鐘，旋涂聚(3-己基)噻吩作為功能層，最后按照真空蒸鍍的方法，蒸鍍120納米厚的金 作為源電極和漏電極，蒸鍍速率為3-5納米/秒；即得氣體傳感器。將上述氣體傳感器在飽和工作狀態(tài)時，由源漏電流對濃度為IOOppm氨氣氣體的 響應曲線(參見圖2)可知，當本發(fā)明中功能層所使用的ρ型半導體材料聚噻吩吸附作為電 子給體的還原性氨氣后，二者之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，聚噻吩的η共軛系統(tǒng)接受氨氣分子上的 孤對電子，導致聚噻吩薄膜的空穴數(shù)量因為與電子復合而下降，因此飽和源漏電流值降低。 器件的響應時間小于60秒。實施例2采用高平整度(小于2納米)的高摻雜ρ型硅晶片作為襯底兼作柵極，在硅片上 直接氧化得到400納米厚氧化硅作為柵絕緣膜；而后利用 H2O2 = 4 1的酸性液 清洗硅片，用超純水沖洗后，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 1 1的堿性液清洗，再用乙醇 超聲3-5分鐘，干燥后，將硅片放入十二烷基三氯硅烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液 中，室溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然后，以轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂聚(3-十二烷基)噻吩作為功能層，最后按照真空蒸鍍的方法，蒸鍍200納米厚 的鉬作為源電極和漏電極，蒸鍍速率為3-5納米/秒；即得氣體傳感器。實施例3采用高平整度(小于2納米)的高摻雜ρ型硅晶片作為襯底兼作柵極，在硅片上 直接氧化得到500納米厚氧化硅作為柵絕緣膜；而后利用 H2O2 = 4 1的酸性液 清洗硅片，用超純水沖洗后，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 2 1的堿性液清洗，再用乙醇 超聲3-5分鐘，干燥后，將硅片放入十二烷基三氯硅烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液 中，室溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然后，以轉(zhuǎn)速3500轉(zhuǎn)/ 分鐘，旋涂聚(3-乙基)噻吩作為功能層，最后按照真空蒸鍍的方法，蒸鍍250納米厚的鉬 作為源電極和漏電極，蒸鍍速率為3-5納米/秒；即得氣體傳感器。實施例4采用高平整度(小于2納米)的高摻雜ρ型硅晶片作為襯底兼作柵極，在硅片上 直接氧化得到500納米厚氧化硅作為柵絕緣膜；而后利用 H2O2 = 4 1的酸性液 清洗硅片，用超純水沖洗后，再用H2O H2O2 NH4OH = 5 1 1的堿性液清洗，再用乙醇 超聲3-5分鐘，干燥后，將硅片放入十二烷基三氯硅烷濃度為10-20毫摩爾/升的甲苯溶液 中，室溫下靜放M小時即可在柵絕緣層表面上修飾一層自組裝膜；然后，以轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/ 分鐘，旋涂聚(3-己基)噻吩作為功能層，最后按照真空蒸鍍的方法，蒸鍍250納米厚的鉬 作為源電極和漏電極，蒸鍍速率為3-5納米/秒；即得氣體傳感器。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測氨氣的傳感器，包括柵電極(1)、柵絕緣層O)、源電極( 和漏電極 (6)組成，其特征在于柵絕緣層( 上設(shè)表面修飾層C3)和功能層；源電極( 和漏電 極(6)分別連接于功能層G)，功能層以P型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩為原 料；功能層厚度達到400-1000納米。
2.按權(quán)利要求1所述的用于檢測氨氣的傳感器，其特征在于所述P型有機半導體材 料聚(3-烷基)噻吩中烷基為乙基、己基、辛基或十二烷基。
3.按權(quán)利要求1或2所述的用于檢測氨氣的傳感器，其特征在于所述ρ型有機半導 體材料聚(3-烷基)噻吩為聚(3-己基)噻吩。
4.按權(quán)利要求1所述的一種用于檢測氨氣的傳感器，其特征在于所述表面修飾層以 十二烷基三氯硅烷為原料。
5.按權(quán)利要求1所述的用于檢測氨氣的傳感器，其特征在于所述柵電極為高摻雜硅 柵電極。
6.按權(quán)利要求5所述的用于檢測氨氣的傳感器，其特征在于所述高摻雜硅柵電極為 高摻雜P型硅柵電極或高摻雜η型硅柵電極。
7.按權(quán)利要求1所述的用于檢測氨氣的傳感器，其特征在于所述柵絕緣層采用氧化娃。
8.一種按權(quán)利要求1所述的用于檢測氨氣的傳感器的制備方法，其特征在于首先將 表面處理后涂有絕緣層的柵極進行清洗，其次將十二烷基三氯硅采覆于其上進行修飾，再 次將P型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩作為功能層，以2000-4000轉(zhuǎn)/分鐘旋涂于修 飾后的柵絕緣層，最后分別蒸鍍源電機和漏電極。
9.按權(quán)利要求8所述的用于檢測氨氣的傳感器的的制備方法，其特征在于所述功能 層厚度達到400-1000納米；所述蒸鍍源電極和漏電極時速度在0. 3-0. 5納米/秒，源電機 為鈣，蒸鍍鈣厚度達到100-300納米，漏電極為金，蒸鍍金厚度達到100-300納米。
10.按權(quán)利要求8所述的用于檢測氨氣的傳感器的的制備方法，其特征在于在所述高 摻雜硅柵電極上氧化得到350-500納米厚的氧化硅作為柵絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，特別是一種用于檢測氨氣的有機薄膜晶體管氣體傳感器。柵絕緣層上設(shè)表面修飾層和功能層；源電極和漏電極分別連接于功能層，功能層以p型有機半導體材料聚(3-烷基)噻吩為原料。本發(fā)明是結(jié)合當前半導體工業(yè)的主流技術(shù)，在硅襯底上利用有機半導體材料代替無機半導體材料作為器件的功能層，制備了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管氣體傳感器，簡化了器件的制作工藝，大大減少了器件的制作周期。另外，器件易于集成化、微型化。
文檔編號H01L51/05GK102103103SQ20091025570
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者于順洋, 李琳娜, 許玉云 申請人:煙臺海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究所