[发明专利]多孔硅基三氧化钨纳米棒复合结构气敏传感器元件的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于氮氧化物气体传感器的，尤其涉及一种新型的多孔硅基三氧化钨纳米棒复合结构的气敏传感器元件。

背景技术

现代工业在飞速发展的同时也不断地给生态环境带来了比较严重的污染，对人类的健康也造成了很大的危害。氮氧化物(NO_x)作为一种有毒有害气体，是形成酸雨和光化学烟雾的主要原因。广泛研究的半导体金属氧化物气敏材料虽然对NO_x具有的良好敏感性能，但却存在工作温度偏高(远高于室温)的问题，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。

随着环保意识的增强，人们对气敏传感器提出了更高的要求。硅基多孔硅是一种在硅片表面形成孔径尺寸、孔道深度和孔隙率可调的极具潜力的新型室温气敏材料，因其巨大的比表面积和很高的表面化学活性可实现对检测气体的高灵敏度探测，并且制作工艺因能与微电子工艺技术兼容，易于实现硅基集成而成为最具吸引科研人员研究兴趣的研究领域之一。但是目前传统的多孔硅气敏传感器也存在响应速度慢、恢复时间长等缺点，在一定程度上制约其进一步的应用。

基于金属氧化物以及多孔硅作为气敏传感器的优缺点，目前国内外研究学者和本课题组致力于利用各种方法将多孔硅和金属氧化物制备成复合结构，以期获得低功耗，高灵敏度，响应恢复快以及稳定性良好的新型室温气敏传感器元件。

发明内容

本发明的目的，是克服传统的多孔硅以及金属氧化物气敏传感器元件的缺点，利用水热法在多孔硅上原位生长氧化钨纳米棒，将高灵敏度与良好的室温气体响应/恢复特性结合起来,利用磁控溅射法制备铂电极，提供一种制备过程简单，易于控制、实现室温下对氮氧化物气体探测，高灵敏度等优异气敏特性的新型多孔硅基三氧化钨纳米棒气敏传感器。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种多孔硅基三氧化钨纳米棒复合结构气敏传感器元件的制备方法，具有以下步骤：

(1)硅片的清洗：

将p型单面抛光的单晶硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合液中浸泡35-45min，随后置于氢氟酸与去离子水的混合液中浸泡25-35min，然后分别在丙酮和乙醇中超声清洗5-10min，再用去离子水洗净，最后将多孔硅放入无水乙醇中备用;

(2)制备硅基多孔硅：

采用双槽电化学腐蚀法在步骤(1)的单晶硅片的抛光表面制备多孔硅层，所用腐蚀液为氢氟酸与二甲基甲酰胺的混合溶液，通过控制施加腐蚀电流密度和腐蚀时间改变多孔硅的孔隙率、平均孔径及厚度，施加的腐蚀电流密度为55-70mA/cm²，腐蚀时间为5-10min，制备条件为室温并且不借助光照;

(3)利用水热法在多孔硅上原位生长三氧化钨纳米棒

首先配置反应液，分别称取3-5g钨酸钠和1-2g氯化钠，利用磁力搅拌器将上述化合物溶于70-80ml的去离子水中，再利用浓盐酸调节反应液PH值至2.1-2.5，随后将配置好的反应液倒入100ml水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中，然后再将步骤(2)制得的多孔硅插在样品架上水平腾空置于内衬中，最后将水热反应釜置于恒温干燥箱中于180℃恒温反应3h；

（4）基于多孔硅基三氧化钨纳米棒气敏传感器元件的制备

将步骤(3)制得的多孔硅基三氧化钨纳米棒置于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(4～6)×10^-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为23～25mL/min，溅射工作气压为2～3Pa，溅射功率80～100W，溅射时间8～10min，在其表面沉积形成两个方形铂点电极；

(5)热处理多孔硅基三氧化钨纳米棒气敏传感器元件

将步骤(4)制得的多孔硅基三氧化钨纳米棒气敏传感器元件置于马弗炉中于500℃恒温热处理2h，为使所制得的纳米棒彻底氧化为三氧化钨。

所述步骤(1)的p型单面抛光的单晶硅片为电阻率为10～15Ω·cm，厚度为300μm，(100)晶面的单晶硅片。

所述步骤(1)的浓硫酸与过氧化氢混合液的体积比为3:1；氢氟酸与去离子水混合液的体积比为1:1。

所述步骤(2)的氢氟酸与二甲基甲酰胺混合溶液的体积比为1:2。

所述步骤(2)制备的多孔硅平均孔径为1.5um，孔隙率为39.8%。

所述步骤(3)水热反应条件为180℃，3h。