一种抗湿度干扰功能化硅纳米线气敏传感器及其制备方法与流程

本发明属于低功耗高性能室温纳米气体传感器领域，涉及一种具有强抗环境湿度干扰的室温纳米硅基气体传感器及其制备方法，基于该发明公开的方法制作的硅纳米线基气体传感器元件可有效工作于高湿度环境(>75％相对湿度)，在室温下高灵敏探测低浓度(ppb级别)氮氧化物气体。

背景技术：

当前，气体传感器在环境安全，健康监测等方面起着越来越重要的作用。现代智能传感器与传感器系统的发展趋势对高性能、低功耗、可集成的气体传感器的发展提出了迫切需求。发展可以室温工作的硅基传感器是发展低功耗可集成传感器件的最有效最直接的途径。一维纳米硅基室温气体传感器在发展高性能、低功耗、可集成式气体传感器与智能传感系统方面极具应用前景，其制作与现代集成工艺高度兼容、室温工作，并且具有一维纳米结构作为气体传感器敏感元的诸多优点。对于室温下工作的气体传感器，一个必须要考虑并克服的关键问题是环境湿度对气敏性能的干扰影响，特别是高环境湿度造成的气体传感器敏感性能的严重衰减甚至失效问题。自然环境由于地域、季节甚至是环境温度的差异会导致环境湿度的显著波动和变化。对于高湿环境中室温工作的半导体气体传感器，高湿环境中的水蒸汽分子与待检测目标气体分子在敏感元表面的竞争吸附、以及水汽分子与敏感材料之间的相互作用可导致气体传感器灵敏度的显著衰减和器件信噪比的显著增加。而对于应用于健康监测的便携式可穿戴式气体传感器，人体呼出气体中的超高湿度对于痕量特征气体的灵敏响应的抑制作用是发展医疗检测气体传感器必须要深入研究和解决的瓶颈问题。当前，尽管在基于硅纳米线的气体传感器性能研究方面取得了许多重要进展，但开发可应用于高湿度环境的、实现对ppb级目标气体室温高灵敏稳定检测的硅纳米线基气体传感器仍是一项极大的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗湿度干扰功能化硅纳米线气敏传感器及其制备方法，通过对硅纳米线敏感元利用十八烷基三氯硅烷进行有机功能化处理构筑超疏水结构，改善室温抗湿干扰性能，制备可应用于高湿环境的硅纳米线基室温高灵敏气体传感器的有效方法。该方法简单易行、效果好，形成的传感器器件在室温、湿度超过75％的环境中可对ppb级氮氧化物产生稳定的敏感响应。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

抗湿度干扰功能化硅纳米线气敏传感器，包括硅片、硅纳米线阵列以及电极，以硅片为基底，通过刻蚀法在硅片表面制备垂直于硅片表面的硅纳米线阵列并通过氧化法以在硅纳米线表面形成氧化物二氧化硅层，再以能够降低硅纳米线表面能的有机溶液进行处理，以降低表面能并构筑超疏水的硅纳米线阵列结构，在硅纳米线阵列设置与硅纳米线阵列欧姆接触的电极。

在上述技术方案中，硅片为p型，晶向为100，单面抛光，电阻率为0.005～15ω·cm。

在上述技术方案中，能够降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液为十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液，或者全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液；在十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液中，十八烷基三氯硅烷的体积百分数为0.1—1vol％(十八烷基三氯硅烷体积/十八烷基三氯硅烷和甲苯的体积之和)；在全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液中，全氟辛基三氯硅烷浓度为0.5—1mm，十六烷和氯仿的体积比为(3—5)：1。

上述传感器的制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，将硅片置于浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中浸泡，然后再依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声处理，使用去离子水冲洗干净后烘干，得到制材1；

在步骤1中，所述硅片为p型，晶向为100，单面抛光，电阻率为0.005～15ω·cm。

在步骤1中，在浓硫酸与过氧化氢溶液中，过氧化氢水溶液与浓硫酸的体积比例为(1—5)：1，优选(4—5)：1；浓硫酸的质量百分数为95—98wt％，过氧化氢水溶液中过氧化氢体积分数为25—30vol％。

在步骤1中，浸泡温度为室温20—25摄氏度，浸泡时间为30—60min，优选40—50min。

在步骤1中，依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声处理，在丙酮和无水乙醇中超声处理时间为15-20分钟，在去离子水中超声处理时间为5-10分钟。

步骤2，将步骤1得到的制材1浸入硝酸银和氢氟酸的混合水溶液中浸泡，以使制材1上沉浸纳米银颗粒后获得制材2，在硝酸银和氢氟酸的混合水溶液中，硝酸银浓度为0.002～0.02m，氢氟酸浓度为5-8m；

在步骤2中，硝酸银浓度为0.008～0.016m，氢氟酸浓度为5-7m。

在步骤2中，氢氟酸纯度为ar，硝酸银纯度为98％。

在步骤2中，浸泡温度为20-90秒，优选30—60秒。

步骤3，将制材2置于过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中进行浸泡刻蚀，得到制材3，在过氧化氢和氢氟酸的混合水溶液中，氢氟酸浓度为5-7m，过氧化氢的浓度为10m；

在步骤3中，浸泡温度为室温20—25摄氏度，浸泡时间为30—90min，优选40—60min。

步骤4，将步骤3制备的制材3使用去离子水清洗后，置于硝酸水溶液中进行浸泡以去除剩余银颗粒和伴随氧化处理，再置于去离子水中清洗，获得制材4；

在步骤4中，在硝酸水溶液中，硝酸质量百分数为60—68％，浸泡温度为室温20—25摄氏度，浸泡时间为5—10min。

步骤5，将步骤4制备的制材4置于红外干燥箱中在空气氛围中进行氧化处理，以使硅纳米线表面形成氧化物二氧化硅层，获得制材5；

在步骤5中，氧化处理时间为30—60min，使用上海市吴淞五金厂制造的ws701型红外线快速干燥器，功率为500w，输入电压为220v。

步骤6，将步骤5制备的制材5置于能够降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液中进行浸泡，以对多孔硅纳米线表面进行有机修饰，降低表面能并构筑超疏水结构，得到制材6，能够降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液为十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液，或者全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液；在十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液中，十八烷基三氯硅烷的体积百分数为0.1—1vol％(十八烷基三氯硅烷体积/十八烷基三氯硅烷和甲苯的体积之和)；在全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液中，全氟辛基三氯硅烷浓度为0.5—1mm，十六烷和氯仿的体积比为(3—5)：1；

在步骤6中，浸泡温度为20—25摄氏度，浸泡时间为0.5—10min，优选3—8min。

在步骤6中，选择在浸泡之后，使用氯仿或乙醇进行数次清洗。

在步骤6中，在十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液中，十八烷基三氯硅烷的体积百分数为0.4—0.8vol％。

在步骤6中，在全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液中，全氟辛基三氯硅烷浓度为0.5—0.8mm，十六烷和氯仿的体积比为(4—5)：1。

在步骤6中，十八烷基三氯硅烷纯度为95％，全氟辛基三氯硅烷纯度为97％，甲苯纯度为98％，十六烷纯度为100ng/ul(u％＝2,溶剂：异辛烷)，氯仿纯度为99.8％。

步骤7：在步骤6获得的制材6上磁控溅射上铂电极，通过模板法在多孔硅纳米线阵列上形成两个与硅片表面纳米线间的欧姆接触的电极。

在步骤7中，两个电极间距为1-2cm，大小为2mm*2mm，采用的金属铂作为溅射靶材，氩气作为工作气体，溅射时间3—5min，形成电极厚度为160～240nm.

在步骤7中，磁控溅射靶材金属铂的质量纯度为99.95％，磁控溅射气体氩气的质量纯度为99.999％，磁控溅射要求的本体真空度为4.0×10^-4pa。

本发明的一种功能化抗湿度干扰多孔硅纳米线气敏传感器及其制备方法，包括如下步骤：(1)清洗p型硅片，(2)将p型硅片放置氢氟酸和硝酸银混合水溶液中，(3)将p型硅片放置氢氟酸和过氧化氢的混合水溶液中，(4)硝酸水溶液处理，硝酸浓度较高，起到去除剩余银颗粒和氧化的双重效果，(5)将多孔硅纳米线进行红外氧化，(6)多孔硅纳米线表面进行疏水化处理，(7)制作双顶点电极制备得气敏传感器。本发明通过步骤中的不同参数选择，实现可以简单快速制备功能化多孔硅纳米线气敏传感器满足高湿度环境下微量二氧化氮气体探测。该方法具有设备简单、操作方便、可重复性好、成本低廉等优点，可以更好的实现工业化生产。本发明在金属辅助化学刻蚀制备多孔硅纳米线敏感元的基础上，通过对多孔硅纳米线表面进行有机修饰，降低表面能，构筑超疏水结构，可以在很大程度上提升多孔硅纳米线气敏传感器的室温抗湿度干扰性能，使得多孔硅纳米线气敏传感器可用于高湿度环境(如大于75％相对湿度)的气体感知与高灵敏检测。本发明提供的技术在人体健康监测、微量环境污染气体高湿环境探测等医疗、环保领域具有非常大的应用与推广前景，可产生很好的社会和经济效益。

附图说明

图1是本发明中制备的对比实施例，实施例1和十八烷基三氯硅烷样品的傅里叶红外光谱图。

图2是本发明中制备的对比实施例样品的水溶液接触角测试结果示意图。

图3是本发明中制备的对比实施例样品(硅纳米线阵列)的扫描电镜截面照片。

图4是本发明中制备的实施例1样品的水溶液接触角测试结果示意图。

图5是本发明中制备的实施例1样品(硅纳米线阵列)的扫描电镜截面照片。

图6是本发明中制备的实施例2样品的水溶液接触角测试结果示意图。

图7是本发明中在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线图，其中(a)为对比实施例所得样品，(b)为实施例1所得样品。

图8是本发明中在相对湿度(rh)为45％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线图，其中(a)为对比实施例所得样品，(b)为实施例1所得样品。

图9是本发明中在相对湿度(rh)为55％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线图，其中(a)为对比实施例所得样品，(b)为实施例1所得样品。

图10是本发明中在相对湿度(rh)为65％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线图，其中(a)为对比实施例所得样品，(b)为实施例1所得样品。

图11是本发明中实施例1所得样品在相对湿度(rh)为75％时对no2气体浓度分别为50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明技术方案进一步进行说明。使用上海市吴淞五金厂制造的ws701型红外线快速干燥器进行红外氧化，功率为500w，输入电压为220v，编号为1259，出厂时间为87年11月。十八烷基、全氟辛基、十六烷药剂厂家，均为凯玛特(天津)化工科技有限公司。

对比实施例

步骤1：放入浓硫酸和过氧化氢溶液中浸泡40分钟，放入丙酮、无水乙醇中分别超声15分钟，再用去离子水超声5分钟，后用去离子水冲洗干净，置于红外箱中烘干，获得制材1；

其中，所述硅片为p型，晶向为100，单面抛光，电阻率为10ω·cm，浓硫酸与过氧化氢溶液中，过氧化氢水溶液与浓硫酸的体积比例为4:1；浓硫酸的质量百分数为98％，过氧化氢水溶液中过氧化氢体积分数为30vol％。

步骤2：将所述制材1浸入浓度为0.035m的硝酸银与6m的氢氟酸的混合水溶液中，浸泡60秒，使制材1上沉积银纳米颗粒后获得制材2；

其中，氢氟酸纯度为ar，硝酸银纯度为98％；

步骤3：将所述制材2放入6m的过氧化氢与6m的氢氟酸的混合水溶液中，室温下浸泡60分钟，刻蚀后获得制材3；

其中，所述室温为25℃；

步骤4，将步骤3制备的制材3使用去离子水清洗后，置于硝酸水溶液中进行浸泡以去除剩余银颗粒，再置于去离子水中清洗，获得制材4；

在步骤4中，在硝酸水溶液中，硝酸质量百分数为68％，浸泡温度为室温25摄氏度，浸泡时间为5min。

步骤5：将步骤4获得硅纳米线磁控溅射上铂电极，通过模板法在多孔硅纳米线阵列上形成两个间距为2cm，大小为2mm*2mm的电极，形成电极与硅片表面纳米线间的欧姆接触。采用的金属铂作为溅射靶材(金属铂的质量纯度为99.95％)，氩气作为工作气体，溅射时间4min，形成电极厚度为180nm。

实施例1

步骤1：放入浓硫酸和过氧化氢溶液中浸泡40分钟，放入丙酮、无水乙醇中分别超声15分钟，再用去离子水超声5分钟，后用去离子水冲洗干净，置于红外箱中烘干，获得制材1；

其中，所述硅片为p型，晶向为100，单面抛光，电阻率为10ω·cm，浓硫酸与过氧化氢溶液中，过氧化氢水溶液与浓硫酸的体积比例为4:1；浓硫酸的质量百分数为98％，过氧化氢水溶液中过氧化氢体积分数为30vol％。

步骤2：将所述制材1浸入浓度为0.035m的硝酸银与6m的氢氟酸的混合水溶液中，浸泡60秒，使制材1上沉积银纳米颗粒后获得制材2；

其中，氢氟酸纯度为ar，硝酸银纯度为98％；

步骤3：将所述制材2放入6m的过氧化氢与6m的氢氟酸的混合水溶液中，室温下浸泡60分钟，刻蚀后获得制材3；

其中，所述室温为25℃；

步骤4，将步骤3制备的制材3使用去离子水清洗后，置于硝酸水溶液中进行浸泡以去除剩余银颗粒，再置于去离子水中清洗，获得制材4；

在步骤4中，在硝酸水溶液中，硝酸质量百分数为68％，浸泡温度为室温25摄氏度，浸泡时间为5min。

步骤5：将所述制材4置于红外干燥箱中氧化30分钟，获得制材5；

步骤6：将所述制材5放入降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液中，浸泡3分钟，后放入乙醇中清洗数次，获得制材6；其中，所述降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液，在十八烷基三氯硅烷与甲苯的混合溶液中，十八烷基三氯硅烷的体积百分数为1％。

步骤7：将步骤6获得硅纳米线磁控溅射上铂电极，通过模板法在多孔硅纳米线阵列上形成两个间距为2cm，大小为2mm*2mm的电极，形成电极与硅片表面纳米线间的欧姆接触。采用的金属铂作为溅射靶材(金属铂的质量纯度为99.95％)，氩气作为工作气体，溅射时间4min，形成电极厚度为180nm。

实施例2

步骤1：放入浓硫酸和过氧化氢溶液中浸泡40分钟，放入丙酮、无水乙醇中分别超声15分钟，再用去离子水超声5分钟，后用去离子水冲洗干净，置于红外箱中烘干，获得制材1；

其中，所述硅片为p型，晶向为100，单面抛光，电阻率为10ω·cm，浓硫酸与过氧化氢溶液中，过氧化氢水溶液与浓硫酸的体积比例为4:1；浓硫酸的质量百分数为98％，过氧化氢水溶液中过氧化氢体积分数为30vol％。

步骤2：将所述制材1浸入浓度为0.035m的硝酸银与6m的氢氟酸的混合水溶液中，浸泡60秒，使制材1上沉积银纳米颗粒后获得制材2；

其中，氢氟酸纯度为ar，硝酸银纯度为98％；

步骤3：将所述制材2放入6m的过氧化氢与6m的氢氟酸的混合水溶液中，室温下浸泡60分钟，刻蚀后获得制材3；

其中，所述室温为25℃；

步骤4，将步骤3制备的制材3使用去离子水清洗后，置于硝酸水溶液中进行浸泡以去除剩余银颗粒，再置于去离子水中清洗，获得制材4；

在步骤4中，在硝酸水溶液中，硝酸质量百分数为68％，浸泡温度为室温25摄氏度，浸泡时间为5min。

步骤5：将所述制材4置于红外干燥箱中氧化30分钟，获得制材5；

步骤6：将所述制材5放入降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液中，浸泡3分钟，后放入乙醇中清洗数次，获得制材6；其中，所述降低多孔硅纳米线表面能的有机溶液为全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液，在全氟辛基三氯硅烷的十六烷/氯仿混合溶液中，全氟辛基三氯硅烷浓度为0.5mm，十六烷和氯仿的体积比为4：1。

步骤7：将步骤6获得硅纳米线磁控溅射上铂电极，通过模板法在多孔硅纳米线阵列上形成两个间距为2cm，大小为2mm*2mm的电极，形成电极与硅片表面纳米线间的欧姆接触。采用的金属铂作为溅射靶材(金属铂的质量纯度为99.95％)，氩气作为工作气体，溅射时间4min，形成电极厚度为180nm。

对本发明制备的硅纳米线阵列，以及对比实施例制备的硅纳米线阵列进行表征如下。接触角测试采用美国科诺工业有限公司的sl150e型接触角测试仪，气敏传感性能通过国产气敏平台进行测试，参考文献y.l.wei,m.hu,w.j.yan,d.f.wang,l.yuan,y.x.qin,hydrothermalsynthesisporoussilicon/tungstenoxidenanorodscompositesandtheirgas-sensingpropertiestono2atroomtemperature,appliedsurfacescience,353(2015)79-86.

如图1所示，样品分别为十八烷基三氯硅烷，实例1，对比实施例的样品傅里叶红外光谱图，其中对比实施例在波数为2916与2848厘米-1处并没有十八烷基三氯硅烷的特征吸收峰，而实例1出现了十八烷基三氯硅烷的特征峰，并同时具有多孔硅纳米线的特征峰，这证明了实例1是在多孔硅纳米线上成功修饰了十八烷基三氯硅烷。

如附图2和3所示，对比实施例的水溶液接触角，仅为53度，从对比实施例中多孔硅纳米线阵列的sem截面图，可以看出其长度可达20.7微米，直径在0.28-0.5微米。如附图4—6所示，实施例1的水溶液接触角测试，接触角为140.8度，实施例2的水溶液接触角测试，接触角为145.6度，采用本发明技术方案进行疏水性处理后，接触角平均为140—150度。从实施例1中ots修饰的多孔硅纳米线sem截面图中可以看出样品长度平均为21微米，直径大约为0.34-0.5微米，并且由于ots的修饰导致了sem探测信号减弱，图片清晰度下降。

气敏传感性能测试结果如附图7—11所示。图7(a)为对比实施例所得样品，在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线。(b)为实施例1所得样品，在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线。对比实施例样品no2浓度为10ppb，50ppb，100ppb，250ppb时响应值为7，19.1，33.4，52.8，63.2。而实施例1样品在no2浓度为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb响应值为5.9，11.5，23.1，33.2，51.1。图8(a)为对比实施例所得样品，在相对湿度(rh)为45％时对no2气体浓度分别为10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线，其中对5ppbno2已没有响应。(b)为实施例1所得样品，在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，的气敏性能测试所得响应曲线。二者对比可见，对比实施例样品可探测浓度范围有所缩减，且响应曲线恢复性变差。对比实施例样品no2浓度为10ppb，50ppb，100ppb，250ppb时响应值为7.5，35.9，57.4，66。而实施例1样品在no2浓度为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb响应值为5.11，17.8，38.4，52，62.5。图9(a)为对比实施例所得样品，在相对湿度(rh)为55％时对no2气体浓度分别为100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线，其中对5ppbno2已没有响应。(b)为实施例1所得样品，在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线。二者对比可见，对比实施例样品可探测浓度范围缩减严重，且响应曲线恢复性变差。对比实施例样品no2浓度为100ppb，250ppb时响应值为15.6，32.5。而实施例1样品在no2浓度为5ppb，10ppb，50ppb，100ppb，250ppb响应值为2.44，17.8，34.2，42.1，50。图10(a)为对比实施例所得样品，在相对湿度(rh)为65％时对no2气体浓度分别为250ppb的气敏性能测试所得响应曲线，其中对5ppbno2已没有响应。(b)为实施例1所得样品，在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为10ppb，50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线。二者对比可见，对比实施例样品可探测浓度仅为250ppb，且响应曲线恢复性变差。而实施例1样品探测范围依然可达10ppb，恢复性良好。对比实施例样品no2浓度为250ppb时响应值为9.7。而实施例1样品在no2浓度为10ppb，50ppb，100ppb，250ppb响应值为2.5，13.7，28.6，41.6。图11为实施例1所得样品，在相对湿度(rh)为35％时对no2气体浓度分别为50ppb，100ppb，250ppb的气敏性能测试所得响应曲线。对比实施例样品在250ppb及以下的no2浓度时已没有气敏响应曲线。而实施例1样品探测范围依然可达50ppb，恢复性良好。实施例1样品在no2浓度为50ppb，100ppb，250ppb响应值为1.8，10.3，35.1。实施例2样品表现出与实施例1基本一致的性能，即随着湿度增大，硅纳米线阵列仍能够保持对no2的气敏性。

通常下硅纳米线容易被氧化而形成二氧化硅，但是二氧化硅没有气体敏感性能，造成气敏性能下降。在本发明的技术方案中，十八烷基等疏水有机物容易与二氧化硅结合形成単分子层薄膜，利用疏水有机物和硅纳米线表面无用的二氧化硅层结合，达到抗湿的效果，使得在高湿度下气敏性能受影响较小。

根据本发明内容进行制备工艺参数的调整，均可实现本发明中硅纳米线和传感器的制备，且表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。