[发明专利]一种多层薄膜OTFT甲醛气体传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械系统气体传感器和有机/无机纳米复合材料领域，具体涉及一种基于有机半导体材料-无机纳米金属氧化物的多层薄膜OTFT甲醛气体传感器及其制作方法。

背景技术

甲醛是一种对身体健康有着很大危害的有机挥发物。美国环保总署EPA早在1998年就宣布甲醛为导致急性呼吸系统疾病的物质，当人吸入甲醛后，会出现头痛、疲倦、咳嗽、哮喘等症状；世界卫生组织将其列为“可能令人类致癌物质”。因此，对甲醛等室内空气污染气体的检测成为当今科学界的研究热点和重要课题之一。近年来各国对各种以甲醛为主的室内空气污染物的检测已有不少研究，主要包括有色谱法、无机半导体气敏传感器法、红外光谱法和声表面波传感器法等。

色谱技术及色谱—质谱联用技术需要30 min甚至更久的时间才能检测到80 ppb的甲醛，是目前检测室内挥发性气体的常用技术之一，但存在着灵敏度、选择性和采样时间等问题。日本的Y. Sekine等人将比色分析与通过IT网络的图像传输集成在一起来检测甲醛气体，但这并不能改变其响应时间慢的问题，因此这一缺点导致其离现场实时快速测定的要求尚有较大距离。 

无机氧化物半导体气体传感器的研制及其对易燃、易爆、有毒气体的气敏特性研究已有广泛报道，但该类传感器存在价格昂贵、工作温度高、体积大及响应时间慢等缺点。日本的L. Q. Shi及其小组采用射频感应等离子体反应沉积多孔型SnO2膜，用于检测甲醛和NO2气体。该敏感膜具有不同尺寸的纳米颗粒，因此灵敏度较高，最低检测浓度为20 ppb，但存在响应时间长和工作温度高的问题。Chen Xingru等采用乳液法制备了纳米氧化铟材料，并进行了氧化铬掺杂，探测甲醛浓度下限可达到0.3ppm，该器件无法在室温条件下工作，同时存在功耗较大的问题。

此外，韩国的Hyejung Seo等人将2MP、3MP和4MP等材料以单分子层的形式制备在压阻式的悬臂梁器件上来测试甲醛，测试结果表明，虽然该类传感器对甲苯、苯、二甲苯等响应较差，而对甲醛具有较大的灵敏度，但响应时间长，且恢复性较差，极大地限制了该类传感器的实际应用。日本的K.Kawamura及其小组根据AHMT材料与甲醛反应后颜色发生变化的基本原理，采用光电二极管测试反应光的密度来标定甲醛的浓度，该方法虽然检测浓度较低，但系统构建复杂。Kudo Hiroyuki等报道了一种高灵敏的光纤光学生化传感器，利用甲醛脱氢酶（FALDH）反应的产物NADH的荧光特性来测试甲醛，测试极限可达到0.75ppb。Ma Qiang等报道了基于CdTe量子点/PDDA层层自组装薄膜的甲醛气体传感器，其检测原理是利用所制备薄膜的荧光淬灭效应，测试甲醛浓度范围为5～500ppb。刘世伟等通过牺牲模板法合成了具有空心结构的纳米金催化剂。把该催化剂作为工作电极的活性物质，以1mol／LKOH为电解质，组装了电流型甲醛气体传感器。在甲醛气体浓度为0～2.23×10^-6mol／L范围内对传感器进行了性能测试。该传感器灵敏度高于同载量实心金纳米催化剂组装的传感器70％左右，达到了降低贵金属用量的目的。具有较快的响应时间、良好的重现性和良好的线性关系等优点，可用于适当浓度范围内的甲醛气体检测。郭辉辉等报道了一种基于高分子薄膜溶胀效应的新型MEMS压阻式甲醛气体传感器，其结构由嵌入惠斯通电桥的硅桥和一层改性丙烯酸酯气敏薄膜构成，敏感薄膜因吸收甲醛气体发生溶胀，使硅桥上的惠斯通电桥产生输出电压，从而实现对甲醛气体的检测。测试结果表明该传感器分辨率为10×10^-6，响应时间和恢复时间分别为50s和65s。而在甲醛传感器相关专利方面，所报道的大多采用电阻式结构，未见有基于OTFT 器件结构的甲醛传感器专利报道。

作为MEMS微气体传感器的另一典型代表，OTFT气体传感器在化学气体和生化探测方面也受到了越来越多的关注，具有非常好的应用前景。同传统的气体传感器相比，基于OTFT结构的气体传感器除了具有灵敏度高、可在常温下使用等优点外，还具有以下几个显著优点：利用晶体管基本特性将难以检测的高电阻变化转变为易检测的电流变化；可通过适当选择器件的栅极工作电压来调节传感器的灵敏度；多参数模式更有利用气体的识别和分析；通过对有机物分子的化学修饰可以方便地调节传感器的电性能，提高灵敏度；有机物柔韧性好，可以弯曲，易于制成各种形状；易于集成，可制备大面积传感器阵列。