一种半导体气体传感器芯片及其制备方法与应用与流程

本技术涉及气体传感器，特别涉及一种半导体气体传感器芯片及其制备方法与应用。

背景技术：

1、甲烷作为煤矿瓦斯，天然气、页岩气和沼气的主要成分，但因其具有无色无味、易燃易爆的特点，在使用过程中存在潜在威胁；为了更好的检测环境中甲烷的含量，需要研制出高性能的甲烷气体传感器。

2、在种类众多的气体传感器中，以半导体金属氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有成本低、制备工艺简单、稳定性好以及灵敏度高等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。金属氧化物半导体（mos）传感器比其他类型的传感器具有许多优势，例如体积小，成本低，易于集成和稳定。

3、在mos材料中，sno2 是最早被发现的可用于甲烷检测的mos材料，也是对甲烷的响应最为出色的材料，被认为是最有前途的气体传感材料之一。纯的氧化锡传感器仍然存在一些缺点，例如灵敏度低，恢复时间长，稳定性差和选择性差。

技术实现思路

1、本技术是鉴于上述问题而进行的，其目的在于，提供一种半导体气体传感器芯片，该芯片的灵敏度高。

2、本技术第一方面提供了一种半导体气体传感器芯片，包括：

3、衬底层、敏感材料层、过滤层和泡沫陶瓷；

4、所述敏感材料层包括pd-sno2、pd-in2o3和pd-wo3；

5、所述过滤层包括如下制备原料：

6、pd源、九氟己基三甲氧基硅烷和hzsm-5分子筛。

7、根据本技术传感器芯片技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：

8、本技术中利用改性hzsm-5分子筛和泡沫陶瓷进行气体过滤；其中，泡沫陶瓷对气体进行初步过滤，而改性hzsm-5分子筛对气体进行再次过滤，从而大大降低了其他气体对甲烷检测的影响。

9、同时改性hzsm-5分子筛的比表面积高于敏感材料层中材料，改性hzsm-5分子筛的疏松多孔有利于对气体进行过滤和扩散，同时过滤层中改性hzsm-5分子筛与敏感材料层接触部分相互渗透，从而更有利于甲烷气体的扩散，使得气体更充分地接触到材料表面，从而提升对甲烷气体的响应。

10、hzsm-5分子筛表面含有si（al）-oh，有机硅化物水解产生的羟基基团与hzsm-5分子筛表面的羟基发生缩聚反应，从而沉积在hzsm-5分子筛表面，高温焙烧后形成二氧化硅膜，覆盖在hzsm-5分子筛表面的酸性位点，同时hzsm-5分子筛的硅铝比也被提高，从而提高了分子筛的疏水性；有利于非极性气体的传输，从而提升对甲烷气体的响应。

11、pd修饰的hzsm-5 分子筛，实现了对甲醇气体的高灵敏度和选择性。

12、本技术还通过在sno2、in2o3和wo3表面负载pd，提高了敏感材料层的比表面积，进而提高了表面吸附还原气体的能力，从而提高对ch4的敏感度。

13、本技术通过对敏感材料层和过滤层进行合理的搭配，从而大大提升了传感器芯片对甲烷的敏感度。

14、根据本技术的一些实施方式，所述过滤层包括以下重量份数的制备原料：

15、hzsm-5分子筛 10份、pd源 0.1份~0.5份和九氟己基三甲氧基硅烷0.5份~1份。

16、根据本技术的一些实施方式，所述pd源包括pdn4h12cl2。

17、根据本技术的一些实施方式，所述敏感材料层中pd-sno2、pd-in2o3和pd-wo3的质量比为1:0.2~0.4:0.3~0.5。

18、根据本技术的一些实施方式，所述泡沫陶瓷包括如下制备原料：

19、氧化铝、氧化镁、淀粉和高岭土。

20、根据本技术的一些实施方式，所述泡沫陶瓷包括以下重量份数的制备原料：

21、氧化铝 50份、氧化镁4份~5份、淀粉 35份~45份和高岭土5份~10份。

22、根据本技术的一些实施方式，所述衬底层和所述敏感材料层之间还设置有电极层。

23、根据本技术的一些实施方式，所述电极层包括金电极。

24、本技术第二方案提供了本技术第一方面半导体气体传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

25、在衬底层表面形成敏感材料层、过滤层和泡沫陶瓷。

26、根据本技术的一些实施方式，所述过滤层的制备方法，包括以下步骤：

27、将hzsm-5分子筛、pd 源和水混合后在70℃~90℃下烘干，再在氢气气氛下，温度为500℃~600℃进行煅烧处理1h~3h，得煅烧处理后的hzsm-5分子筛；

28、将煅烧处理后的hzsm-5分子筛和氨水混合，制得第一混合物；

29、其中，煅烧处理后的hzsm-5分子筛和氨水的质量体积比为1g：40ml~60ml；

30、将九氟己基三甲氧基硅烷添加至第一混合物中，在120℃~140℃下反应20h~30h，反应完成后固液分离，收集固相。

31、根据本技术的一些实施方式，所述pd-sno2的制备方法，包括以下步骤：

32、将二氧化锡、钒酸铵和氨水混合后，制得锡源混合物；

33、再将二氯四氨钯溶液和锡源混合物混合后，浓缩至干，退火。

34、根据本技术的一些实施方式，所述二氧化锡和钒酸铵的质量比为10:1~2。

35、根据本技术的一些实施方式，所述二氧化锡和二氯四氨钯的质量比为100：1~2。

36、根据本技术的一些实施方式，所述退火的温度为500℃~600℃。

37、根据本技术的一些实施方式，所述退火的气氛为氧化性气氛。

38、根据本技术的一些实施方式，所述退火的时间为2h~3h。

39、根据本技术的一些实施方式，所述pd-in2o3的制备方法，包括以下步骤：

40、将氧化铟、二氯四氨钯、丙三醇和水混合后球磨，球磨完成后烘干，烧结。

41、根据本技术的一些实施方式，所述烧结的温度为500℃~600℃。

42、根据本技术的一些实施方式，所述烧结的时间为1h~2h。

43、根据本技术的一些实施方式，所述氧化铟和二氯四氨钯的质量比为100：1~2。

44、根据本技术的一些实施方式，所述pd-wo3的制备方法，包括以下步骤：

45、s1、将钨酸钠、草酸、乙酸及盐酸混合后水热反应，固液分离收集固相；

46、s2、将固相、抗坏血酸和氯化钯溶液混合后反应，反应完成后煅烧。

47、根据本技术的一些实施方式，所述水热反应的温度为170℃~180℃。

48、根据本技术的一些实施方式，所述水热反应的时间为12h~14h。

49、根据本技术的一些实施方式，步骤s2中所述反应的温度为60℃~70℃。

50、根据本技术的一些实施方式，步骤s2中所述反应的时间为6h~8h。

51、根据本技术的一些实施方式，步骤s2中所述煅烧的温度为300℃~400℃。

52、根据本技术的一些实施方式，步骤s2中所述煅烧的时间为1h~2h。

53、根据本技术的一些实施方式，所述钨酸钠和草酸的质量比为10:3~4。

54、根据本技术的一些实施方式，所述钨酸钠和氯化钯的质量比为100:2~4。

55、根据本技术的一些实施方式，所述泡沫陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

56、将氧化铝、氧化镁、淀粉、高岭土和水混合、压制、干燥和烧结。

57、根据本技术的一些实施方式，所述压制的压力为15mpa~25mpa。

58、根据本技术的一些实施方式，所述干燥的温度为70℃~90℃。

59、根据本技术的一些实施方式，所述烧结的温度为1200℃~1400℃。

60、根据本技术的一些实施方式，所述烧结的时间为1h~3h。

61、本技术第三方面提供了上述半导体气体传感器芯片在制备气体传感器中的应用。