李 超， 譚秋林,， 劉文怡

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

科技的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，空氣中的有毒有害、易燃易爆等氣體導(dǎo)致的霧霾等問(wèn)題日益突出，對(duì)人們的健康甚至生命構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，從而推動(dòng)了氣體傳感器的市場(chǎng)需求[1]。

雖然現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體氣體傳感器具有靈敏度高、成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是需要工作在較高的溫度下[2]。氣敏材料的特性直接決定了傳感器的性能，但其氣敏特性與工作溫度密切相關(guān)。因此，微熱板的設(shè)計(jì)在金屬氧化物氣體傳感器中占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。ZnO因其大比表面積、低廉的制備成本、良好的穩(wěn)定性及可對(duì)H2，CH4，CO等有害氣體的檢測(cè)而成為有潛力的氣敏材料[3～5]。

本文設(shè)計(jì)了一種具有環(huán)形微熱板的氣體傳感器，該微熱板能有效地提供傳感器的工作溫度，大大降低功耗。利用RF磁控濺射技術(shù)制備氣敏膜ZnO，通過(guò)對(duì)制備參數(shù)的摸索，確定了一組優(yōu)異參數(shù)，并將傳感器進(jìn)行了甲醛氣體的響應(yīng)測(cè)試。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種具有環(huán)形微熱板結(jié)構(gòu)的硅基微氣體傳感器的研究方案，器件尺寸為1 mm×1 mm×0.2 mm，側(cè)視圖如圖1所示。該傳感器采用叉指電極作為測(cè)試電極，電極寬度和間距均為40 μm，能有效降低氣敏材料的初始電阻值。所設(shè)計(jì)的環(huán)形微熱板結(jié)構(gòu)，電極寬度和間距均為50 μm。該傳感器采用n型雙拋Si片，一面集成加熱電極、絕緣層、隔熱層和測(cè)試電極，一面進(jìn)行刻蝕工藝，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的低功耗。該結(jié)構(gòu)的尺寸具有進(jìn)一步縮小的空間，為其向微型化方向的發(fā)展提供了條件，且它可與硅平面集成化工藝兼容，因此，具有進(jìn)一步向集成化與智能化方向發(fā)展的潛力。

圖1 硅基微氣體傳感器的側(cè)視圖

2 微熱板設(shè)計(jì)

在目前已實(shí)際應(yīng)用的氣體傳感器中，金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器占據(jù)相當(dāng)重要的地位。雖然它在檢測(cè)可燃性氣體、還原性氣體等方面存在優(yōu)勢(shì)，但卻需要有較高的工作溫度。加熱器的結(jié)構(gòu)決定了傳感器的功耗，其溫度分布對(duì)傳感器的敏感性、選擇性都有直接的影響。因此，加熱器在氣體傳感器中占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。傳統(tǒng)的微熱板電極結(jié)構(gòu)多采用蛇形分布，本文提出了一種新型的環(huán)形電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為更加直觀地設(shè)計(jì)出較為優(yōu)化的微熱板，本文利用Ansys軟件進(jìn)行了仿真分析。在微熱板的熱模擬過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化建模，本文只考慮介質(zhì)膜、金屬引線以及微熱板界面與空氣間的傳導(dǎo)。微熱板加熱功率的邊界條件將通過(guò)改變加熱電阻Ni的體積生成率來(lái)實(shí)現(xiàn)，空氣對(duì)流系數(shù)設(shè)為2.5 W/(m2·K)[6]。選用Si作為基底，SiO2作為隔熱層。在結(jié)構(gòu)線寬與熱生成率設(shè)置一致時(shí)，溫度分布仿真的結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，環(huán)形加熱電極的中間溫度為303.4 ℃，比蛇形加熱電極高15 ℃，即在提供同一工作溫度時(shí)，環(huán)形加熱電極將更有效地實(shí)現(xiàn)傳感器的低功耗。

圖2 加熱電極溫度分布 (電極寬度50 μm,電極間距50 μm)

3 ZnO薄膜的制備與表征

3.1 ZnO薄膜的制備

利用中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所中的濺射設(shè)備LAB18在Si基片上制備ZnO薄膜，采用純度為99.99 %的ZnO靶材。濺射前先將系統(tǒng)真空度抽至8.0×10-6Pa，同時(shí)將襯底升溫至所需溫度，然后通入Ar和O2作為濺射氣體。本文摸索了RF磁控濺射制備ZnO薄膜的多種工藝條件，并用X射線衍射儀、原子力顯微鏡對(duì)薄膜的形貌、結(jié)晶情況進(jìn)行測(cè)試分析，最終選取了一組參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 ZnO 薄膜的制備參數(shù)

3.2 ZnO薄膜的表征

圖3是ZnO氣敏薄膜退火前后的XRD圖譜。與標(biāo)準(zhǔn)卡00—036—1451對(duì)照分析知，高溫濺射的ZnO薄膜只存在(002)衍射峰，且峰型較尖銳，這表明了其有良好的C軸擇優(yōu)取向且結(jié)晶狀況良好。退火后，并沒(méi)有出現(xiàn)其他的衍射峰，可見(jiàn)退火對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和取向的影響不大。600 ℃退火后，薄膜的C軸擇優(yōu)取向有明顯的增強(qiáng)，但當(dāng)退火溫度達(dá)800 ℃時(shí)，其擇優(yōu)取向性有明顯的降低。

圖3 ZnO氣敏薄膜的XRD圖譜

ZnO氣敏薄膜退火前后的表面形貌如圖4所示。根據(jù)謝樂(lè)公式可知，薄膜的晶粒大小約為30～45 nm。由圖可見(jiàn)，經(jīng)600 ℃退火的ZnO薄膜的致密性明顯優(yōu)于未退火和800 ℃退火處理的薄膜，這說(shuō)明退火處理提高了襯底表面的活化能，使得Zn和O原子具有足夠的能量進(jìn)行原子的重新排列，從而使得小的晶粒易于合并形成質(zhì)量較好的ZnO薄膜。但對(duì)比圖4(a),(c)可知，800 ℃的退火溫度使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量反而降低，這可能是因?yàn)檫^(guò)高的退火溫度使薄膜中Zn和O原子能量過(guò)高，與襯底之間的擴(kuò)散現(xiàn)象加劇，最終導(dǎo)致薄膜的缺陷增加。

圖4 ZnO氣敏薄膜的AFM圖

4 傳感器測(cè)試

在工作溫度范圍內(nèi)，CH4被吸附在ZnO氣敏薄膜的表面，致使氣敏材料的耗盡層發(fā)生變化，從而ZnO的電阻值發(fā)生變化。圖5是傳感器對(duì)1000×10-6CH4的溫度—靈敏度曲線。從圖中可以看出:當(dāng)溫度低于250 ℃時(shí)，傳感器對(duì)CH4的靈敏度隨溫度的升高而增大；當(dāng)溫度高于250 ℃時(shí)，靈敏度開(kāi)始逐漸下降，且在250 ℃時(shí)對(duì)CH4有著良好的響應(yīng)。這是因?yàn)檫^(guò)高的溫度下，解吸率大于吸附率，使得靈敏度降低。圖5顯示出了在250 ℃時(shí)，傳感器對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)(200～1000)×10-6CH4的敏感特性。由圖可見(jiàn)，傳感器在250 ℃對(duì)1000×10-6CH4氣體的靈敏度響應(yīng)達(dá)76 %。

圖5 傳感器的氣敏特性曲線

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型微熱板結(jié)構(gòu)，和傳統(tǒng)的蛇形結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)能有效地供給傳感器的工作溫度，進(jìn)而有效降低功耗。采用RF磁控濺射技術(shù)制備ZnO薄膜并進(jìn)行了表面形貌、結(jié)晶取向的測(cè)試，得出了襯底溫度250 ℃,ψ(Ar∶O2)=24∶3,濺射功率150 W的薄膜特性較好，并且在空氣中600 ℃下退火30 min，薄膜的結(jié)晶特性明顯得到了改善，利于吸附氣體。所設(shè)計(jì)的傳感器在250 ℃時(shí)，對(duì)CH4氣體有較高的響應(yīng)靈敏度。

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