[发明专利]一种气体传感器及其制作方法

说明书

本发明涉及传感器技术领域，提供一种气体传感器及其制作方法。此气体传感器，包括基板、石墨烯层、金属电极对、金属氧化物层；基板、石墨烯层和金属电极对由下至上依次设置；一个金属电极对包括两个金属电极，一个金属电极对的两个金属电极之间的区域为沟道；在沟道处的石墨烯层设有间隙槽，使位于沟道处的石墨烯层断开，形成石墨烯电极对；金属氧化物层位于沟道处，且覆盖在石墨烯电极对以及间隙槽上，以连接石墨烯电极对；金属氧化物层的面积小于沟道的面积，以使沟道内具有未被金属氧化物层覆盖而裸露的石墨烯层。本发明提供一种响应强度高、响应的特异选择性好的气体传感器。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种气体传感器及其制作方法。

背景技术

目前气体传感器使用较多的敏感材料主要是金属氧化物层半导体和有机半导体材料。传统厚膜金属氧化物层半导体传感器室温下与待检气体的反应进行得非常慢，通常需要在较高温度下预热和工作，如步骤SnO2需要在70～350℃、ZnO需要在300～450℃等。而高的操作温度会使传感器的阻抗变得非常大，需要设计较复杂的电路以避免漏电。而有机半导体材料由于电学和力学性能差，且材料制备工艺复杂、成本高等原因而限制了其在高性能气体传感器上的功能拓展。作为典型二维材料，石墨烯由于具有巨大的比表面积、极高的载流子迁移率、较小的本征噪声，且易于被化学修饰、柔性且便于集成等特征，在高性能室温气体传感器研制、尤其是可穿戴设备等领域具有诱人的应用前景。在一般的石墨烯基气体传感器中，石墨烯的主要作用是作为沟道敏感材料的承载材料，而对气体分子起敏感作用的主要在石墨烯表面的敏感材料，如金属或金属氧化物层颗粒等，敏感材料一般与石墨烯承载材料的覆盖面积一致。

但石墨烯碳原子间的步骤Sp2杂化轨道具有一定的化学惰性，使其气体响应的灵敏度受到限制，解吸附过程较慢，且选择性较差。如何提高响应性能成为石墨烯基气体传感器研制的重点和难点。目前报道一些改善本征石墨烯基气体传感器性能的技术方法，如提高传感器的工作温度；或对本征石墨烯薄膜表面进行臭氧处理而引入含氧基团；或对石墨烯进行图形化加工，增加气体吸附的活性位置；或更改石墨烯附着的衬底等。上述方法的缺点主要是成本高、稳定性较差、功耗大，不能很好提升传感器性能。

中国发明专利公开号CN109632906A(公开日为2019年04月16日)，公开了一种基于石墨烯-金属异质结的气体传感器阵列及其制备方法，该专利的电阻式传感器包括金属电极、金属电极上的石墨烯薄膜以及顶层的金属覆盖层，金属电极均包括两个电极单元，两个电极单元上表面设置有连续的石墨烯薄膜；两个电极单元间隙正上方的石墨烯薄膜上表面设置有金属覆盖层，电阻式传感器的顶层设置有金属覆盖层，该覆盖层将两个电极单元间隙上方的石墨烯完全覆盖，这种设计一方面可以屏蔽石墨烯沟道，使得传感器只有石墨烯-金属异质结暴露在外，则电阻式传感器的响应完全来自石墨烯-金属异质结对气体的响应，另一方面金属覆盖层与石墨烯沟道在测量电路里是并联关系，这进一步降低了石墨烯薄膜电阻在总电阻中的比例，提高了异质结的响应灵敏度。该专利只采用覆盖在金属电极上方的石墨烯膜作为敏感材料，由于石墨烯碳原子间的步骤Sp2杂化轨道具有一定的化学惰性，因此，该专利的气体响应的灵敏度受到限制，解吸附过程较慢，且选择性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种响应强度高、响应的特异选择性好的气体传感器及其制作方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种气体传感器，包括基板、石墨烯层、金属电极对、金属氧化物层；基板、石墨烯层和金属电极对由下至上依次设置；一个金属电极对包括两个金属电极，一个金属电极对的两个金属电极之间的区域为沟道；

在沟道处的石墨烯层设有间隙槽，使位于沟道处的石墨烯层断开，形成石墨烯电极对；金属氧化物层位于沟道处，且覆盖在石墨烯电极对以及间隙槽上，以连接石墨烯电极对；金属氧化物层的面积小于沟道的面积，以使沟道内具有未被金属氧化物层覆盖而裸露的石墨烯层。

作为优选方案：基板包括硅衬底和二氧化硅层；二氧化硅层设于硅衬底上，石墨烯层设于二氧化硅层的上方。