专利名称：半导体薄膜、气体传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种半导体薄膜、气体传感器及其制作方法。
背景技术：
声表面波(SAW)气体传感器在环境监测、化学处理控制及临床分析等领域应用广泛，可以对302、水蒸汽、丙酮、甲醇、!12為5、叽等多种气体进行检测。声表面波气体传感器由SAW器件和敏感膜组成。前者是指在压电基片上成对制作叉指换能器(IDT)而构成能量转换器械。后者是指用特殊工艺在SAW器件声波的传输通道上覆盖的对待测气体有选择性吸附作用的一层薄膜。通过检测输出IDT上出现输出交流电信号的相位、频率和延迟等指标的改变，就可以反映敏感膜对待测气体的吸附，进而可以推断待测气体的量和浓度。大部分现有的声表面波气体传感器单独使用半导体金属氧化物做敏感薄膜。虽然半导体金属氧化物膜电阻率大，敏感度高，但其工作温度高。高温不仅影响传感器稳定效果，也会带来额外功率损耗的问题。而半导体金属氧化物膜在室温下对多数气体的吸附能力弱，导致半导体薄膜的密度、弹性系数以及电阻率的变化都很小，进而对声表面波的影响也很微弱。还有一些声表面波气体传感器单独使用聚合物膜做敏感薄膜。虽然在常温下对气体具有很强的吸附性，但其敏感度小，电阻率变化微弱，因此需要很长的响应和恢复时间。此外，现有的制作敏感薄膜的方法，如溶胶-凝胶法、磁控溅射法、原位化学氧化聚合法、CVD等，这些制作工艺较为复杂，生产成本较高。因此，在降低成本的同时制作出能够在常温下进行快速、灵敏检测的气体传感器显得特别重要，也对传感器的敏感膜提出了更高要求。
发明内容
针对上述气体传感器检测温度高、响应恢复时间长、敏感膜制作工艺复杂等缺点，本发明的目的是提供用于气体传感器的半导体薄膜以及包含这种半导体薄膜的气体传感器，能够在常温下快速、灵敏的检测气体。本发明的目的还在于提供制作工艺简单的半导体薄膜、以及包含这种半导体薄膜的气体传感器以及相应的制造工艺。本发明提供一种半导体薄膜的制作方法，该方法包括以下步骤a)使用溶剂配置半导体金属氧化物与聚合物的混合溶液；b)使混合溶液覆盖在传感器器件的敏感膜区域；c)将传感器器件真空干燥，从而在传感器器件敏感膜区域形成半导体薄膜。另外，本发明提供一种半导体薄膜，形成在传感器敏感膜区域，其特征在于，该薄膜至少包含半导体金属氧化物与聚合物两种物质。再者，本发明提供一种传感器，在其敏感膜区域覆盖有敏感膜，其特征在于，所述传感器的敏感膜至少包含半导体金属氧化物与聚合物两种物质。
与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有以下优点与纯半导体金属氧化物膜相比，使用包含半导体金属氧化物与聚合物的复合膜，可以在室温下检测气体；与纯聚合物膜相比，上述复合膜的响应和恢复时间只要几十秒；此外，这种复合膜检测气体的选择性非�：茫抑谱鞣椒虻ィ撞僮鳎统杀荆屎洗笈可�。
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显图I为根据本发明的半导体薄膜制作方法的流程图；图2(a)和图2(b)为根据本发明按照图I所示的流程制作以上述半导体薄膜为敏感膜的传感器的各个阶段的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。下面，对图I中形成半导体薄膜的方法进行具体的描述。执行步骤S101，使用溶剂配置半导体金属氧化物与聚合物的混合溶液。半导体金属氧化物可以为 Sn02、ZnO、WO3> CuO-ZnO, CuO-SnO2, Fe2O3-ZnO, Al2O3-ZnO 中的一种或其组合。聚合物可以为聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)、聚异丁烯(PIB)、聚噻吩中的一种或其组合。在本发明的一个实施例中，半导体金属氧化物为SnO2，聚合物为聚苯胺。在本发明的一个实施例中，所述溶剂为氮氮二甲基酰胺。半导体金属氧化物与聚合物以及溶剂的质量比可以为例如I : 2 5。将上述混合溶液超声振荡，其目的在于使半导体金属氧化物与聚合物在溶剂中充分分散。典型的，超声温度可以为60°C，超声时间可以为I至2个小时。执行步骤S102，使混合溶液覆盖在传感器器件的敏感膜区域。在本发明的一个实施例中，在传感器器件的敏感膜区域滴涂上述混合溶液。典型的，滴涂混合溶液的剂量可以为几μ I到几十μ I。相比溶胶-凝胶法、磁控溅射法、原位化学氧化聚合法、CVD等成膜技术，滴涂方法更简单，易操作，低成本，适合大批量生产。执行步骤S103，将传感器器件真空干燥，从而在传感器器件敏感膜区域形成半导体薄膜。其目的在于去除敏感膜中的水分和有机物。典型的，真空干燥温度可以为140°C，真空干燥时间可以为至少2个小时。下面对根据上述半导体薄膜的制作方法所形成的半导体薄膜进行说明。所述薄膜至少包含半导体金属氧化物与聚合物两种物质。其中，半导体金属氧化物与聚合物的质量比可以为例如I : 2。在本发明的一个实施例中，半导体金属氧化物为SnO2，聚合物为聚苯胺。典型的,半导体薄膜的厚度范围可以为500nm-2um。下面根据图2(a)和图2(b)对以上述半导体薄膜为敏感膜的传感器进行说明。
参考图2 (a)和图2 (b)，上述传感器包括石英基底100、叉指换能器220和敏感膜310。其中，敏感膜310形成在压电基片的敏感膜区域210上。敏感膜310至少包含半导体金属氧化物与聚合物两种物质。其中，半导体金属氧化物与聚合物的质量比可以为例如I : 2。在本发明的一个实施例中，半导体金属氧化物为SnO2,聚合物为聚苯胺,所述传感器可用于检测NO气体。典型的，敏感膜的厚度范围可以为500nm-2um。虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
权利要求
1.一种半导体薄膜的制作方法，该方法包括以下步骤 a)使用溶剂配置半导体金属氧化物与聚合物的混合溶液； b)使混合溶液覆盖在传感器器件的敏感膜区域； c)将传感器器件真空干燥，从而在传感器器件敏感膜区域形成半导体薄膜。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在所述步骤a)中 半导体金属氧化物与聚合物以及溶剂的质量比为1:2:5。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，在所述步骤a)中 半导体金属氧化物包括 Sn02、ZnO、WO3> CuO-ZnO, CuO-SnO2, Fe2O3-ZnO, Al2O3-ZnO 中的一种或其组合。
4.根据权利要求I或3所述的方法，其中，在所述步骤a)中 聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚异丁烯、聚噻吩中的一种或其组合。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，在所述步骤a)中 半导体金属氧化物为SnO2,聚合物为聚苯胺。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，所述溶剂包括氮氮二甲基酰胺。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，所述步骤a)还包括 将所述混合溶液用超声波振荡。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，所述步骤b)包括 将所述混合溶液滴涂在传感器器件敏感膜区域。
9.一种半导体薄膜，形成在传感器敏感膜区域，其特征在于，所述薄膜至少包含半导体金属氧化物与聚合物两种物质。
10.根据权利要求9所述的薄膜，其中，半导体金属氧化物与聚合物的质量比为I: 2。
11.根据权利要求9所述的薄膜，其中，半导体金属氧化物包括SnO2、ZnO、WO3、CuO-ZnO、CuO-SnO2, Fe2O3-ZnO, Al2O3-ZnO 中的一种或其组合。
12.根据权利要求9或11所述的薄膜，其中，聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚异丁烯、聚噻吩中的一种或其组合。
13.根据权利要求9所述的薄膜，其中，半导体金属氧化物为SnO2，聚合物为聚苯胺。
14.根据权利要求9所述的薄膜，其厚度范围为500nm-2um。
15.一种传感器，在其敏感膜区域覆盖有敏感膜，其特征在于，所述传感器的敏感膜至少包含半导体金属氧化物与聚合物两种物质。
16.根据权利要求15所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括基底和插指换能器。
17.根据权利要求15所述的传感器，其中，半导体金属氧化物与聚合物的质量比为I 2。
18.根据权利要求15所述的传感器，其中，半导体金属氧化物包括Sn02、ZnO、W03>CuO-ZnO, CuO-SnO2、Fe2O3-ZnO, Al2O3-ZnO 中的一种或其组合。
19.根据权利要求15或18所述的传感器，其中，聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚异丁烯、聚噻吩中的一种或其组合。
20.根据权利要求15所述的传感器，其中，半导体金属氧化物为SnO2,聚合物为聚苯胺。
21.根据权利要求15所述的传感器，其中，敏感膜厚度范围为500nm-2um。
全文摘要
一种半导体薄膜的制作方法，该方法包括以下步骤使用溶剂配置半导体金属氧化物与聚合物的混合溶液；使混合溶液覆盖在传感器器件的敏感膜区域；将传感器器件真空干燥，从而在传感器器件敏感膜区域形成半导体薄膜。相应的，本发明还提供一种半导体薄膜和一种以上述薄膜作为敏感膜的传感器。所述传感器可以在室温下检测气体，响应和恢复时间短，选择性好，且制作方法简单，易操作，低成本，适合大批量生产。
文档编号G01N29/22GK102662002SQ20121012484
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者刘明, 周文, 李冬梅, 谢常青 申请人:中国科学院微电子研究所
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