陳文會(huì)，陳江寧，王志勇，祁曉萌，賀永寧

（1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710072；2.陜西脈航交通測(cè)控有限公司，西安710061；3.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，西安710049）

ZnO納米器件在紫外線強(qiáng)度監(jiān)測(cè)報(bào)警中的應(yīng)用*

陳文會(huì)1*，陳江寧2，王志勇1，祁曉萌3，賀永寧3

（1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710072；2.陜西脈航交通測(cè)控有限公司，西安710061；3.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，西安710049）

采用水熱方法，在光刻好的叉指電極間實(shí)現(xiàn)了ZnO納米線的生長(zhǎng)，制備出金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）ZnO納米線紫外探測(cè)器件，對(duì)其在暗場(chǎng)、紫外光下的I-V特性以及開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試。以S3C6410微處理器為核心，使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)、Qt creator應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于該探測(cè)器件的紫外線強(qiáng)度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面的紫外線強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和聲光報(bào)警功能，該系統(tǒng)具有成本低、精度高、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。

ZnO納米器件；水熱法；紫外線監(jiān)測(cè)；嵌入式系統(tǒng)

EEACC:7230Cdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.003

由于軍事應(yīng)用的帶動(dòng)作用和民用方面極高的應(yīng)用價(jià)值，使紫外探測(cè)技術(shù)成為繼紅外與激光技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一軍民兩用的光電子技術(shù)［1］。

ZnO是一種具有光電特性的直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，它在常溫下的禁帶寬度是3.37 eV，與GaN的禁帶寬度相似［2］，同時(shí)它的激子結(jié)合能高達(dá)60 meV，遠(yuǎn)大于ZnSe（22 meV）和GaN（25 meV）等其他寬帶隙半導(dǎo)體。ZnO紫外傳感器量子效率高、噪聲低、響應(yīng)速度快，在紫外區(qū)具有優(yōu)異的光電特性［3］。ZnO納米材料在傳感、光學(xué)、電子、場(chǎng)發(fā)射、壓電、能源、催化等領(lǐng)域已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景［4］。目前在國(guó)際上，制備高性能的紫外探測(cè)器還處于研究階段。

筆者利用水熱法制備以玻璃為襯底、Ag為電極的ZnO納米線MSM光電導(dǎo)型探測(cè)器件，測(cè)試器件的電學(xué)性能，然后采用該器件設(shè)計(jì)了一種嵌入式Linux紫外線強(qiáng)度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

1　紫外探測(cè)器件制備與性能測(cè)試

1.1紫外探測(cè)器件制備

實(shí)驗(yàn)選取玻璃作為器件的基底，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的清洗步驟對(duì)玻璃襯底進(jìn)行清洗。采用傳統(tǒng)光刻工藝和lift-off方法制備出銀叉指電極，用純度為99.99% 的ZnO靶材通過(guò)射頻磁控濺射的方法在已經(jīng)制備了銀叉指型電極的基底上制備ZnO薄膜，用于引導(dǎo)后續(xù)的水熱法ZnO納米線的生長(zhǎng)。通過(guò)水熱法進(jìn)行ZnO納米線陣列的生長(zhǎng)，前驅(qū)反應(yīng)液為0.025 mol/L的二水合乙酸鋅與六次甲基四胺各100 mL，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將樣片從溶液中取出，用去離子水沖洗干凈，再用氮?dú)獯蹈?，置?0℃烘箱中使其充分干燥。

在實(shí)驗(yàn)室制備的ZnO納米線MSM結(jié)構(gòu)探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ZnO納米線探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)中制成的器件如圖2所示。

圖2　在玻璃基片上制備的器件成品

器件制備好后，需要引出電極并進(jìn)行封裝，然后就可以進(jìn)行導(dǎo)線外接和測(cè)試工作了。

1.2紫外探測(cè)器件電學(xué)特性測(cè)試

由上海嘉鵬ZF-8型紫外光源提供波長(zhǎng)365 nm的紫外光作為紫外產(chǎn)生光源，使用Agilent B2902A雙通道源表測(cè)量器件IV特性和瞬態(tài)響應(yīng)并保存測(cè)量結(jié)果，測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。

1.2.1紫外探測(cè)器件的I-V特性

由于ZnO探測(cè)器件會(huì)受到周?chē)諝鉂穸取怏w等影響，所以需要做好封裝工作。首先將器件放置于暗箱中一段時(shí)間，等ZnO納米線紫外探測(cè)器穩(wěn)定后，連接測(cè)試電路，打開(kāi)測(cè)試按鈕，設(shè)置數(shù)字源表電壓掃描范圍為-40 V～40 V。在無(wú)紫外光照下和有365 nm紫外光照射下進(jìn)行I-V特性的測(cè)試。

在無(wú)紫外光照條件下，測(cè)試得到器件的暗電流很小，5 V下約為5 μA，如圖3所示。

作為傳感器，重復(fù)性是它的一個(gè)重要的特性。在本研究中，為了檢查該紫外探測(cè)傳感器的重復(fù)性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將器件用黑盒罩住，打開(kāi)紫外光源的365 nm紫外光檔位，使用北師大UV-313型紫外線強(qiáng)度計(jì)測(cè)量暗箱中的紫外強(qiáng)度，待紫外強(qiáng)度穩(wěn)定后取下黑盒，使紫外光照射器件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有紫外光照射時(shí)，器件的電流迅速增大，在5 V偏壓下，365 nm紫外光照射產(chǎn)生的光電流約為2 mA，比暗電流高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明變化明顯；接著調(diào)節(jié)精密數(shù)字源表使其產(chǎn)生-15 V～15 V的掃描電壓，對(duì)同一量程重復(fù)五次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果的I-V曲線分別用黑、紅、綠、藍(lán)、紫五種顏色表示。

圖3　暗場(chǎng)下I-V曲線

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一量程重復(fù)五次測(cè)試的I-V特性曲線大致重合，說(shuō)明器件重復(fù)性好。另外，從-15 V到15 V的I-V特性曲線與回程從15 V到-15 V 的I-V特性曲線也大致重合，說(shuō)明器件無(wú)滯后。

1.2.2紫外探測(cè)器件的瞬態(tài)響應(yīng)特性

紫外光源開(kāi)啟后，ZnO吸收紫外光產(chǎn)生大量光生電子-空穴對(duì)，電導(dǎo)率增加使得電流增大。關(guān)閉紫外光源后，由于光生載流子的復(fù)合，電導(dǎo)率減小使得器件的電流減小并恢復(fù)至暗場(chǎng)水平。說(shuō)明ZnO納米線紫外探測(cè)器件能夠快速響應(yīng)，能達(dá)到紫外報(bào)警的應(yīng)用要求。紫外光響應(yīng)過(guò)程如圖4所示。

圖4　瞬態(tài)響應(yīng)曲線

1.3可見(jiàn)光對(duì)器件紫外探測(cè)性能的影響實(shí)驗(yàn)

利用上海嘉鵬ZF-8型紫外光源提供可見(jiàn)光，并逐漸增強(qiáng)可見(jiàn)光的強(qiáng)度，將ZnO紫外強(qiáng)度采集模塊放置暗箱中倒計(jì)時(shí)3 min，倒計(jì)時(shí)過(guò)程中系統(tǒng)并沒(méi)有報(bào)警，說(shuō)明系統(tǒng)在可見(jiàn)光干擾下能正常工作。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三星公司的ARM11芯片S3C6410作為主控CPU，利用其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換。根據(jù)ZnO納米線紫外光傳感器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用信號(hào)放大和調(diào)理電路。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖5所示。

圖5　硬件總體設(shè)計(jì)框圖

通過(guò)對(duì)制備的ZnO納米紫外探測(cè)器件的測(cè)量發(fā)現(xiàn):不同工藝條件下制備的ZnO阻值變化范圍較大，低阻阻值變化范圍約為（1.5 kΩ～20 kΩ）之間，而高阻值范圍內(nèi)最高阻值能達(dá)到幾百兆歐左右，為了讓不同器件都能工作在較好狀態(tài)，分別設(shè)計(jì)了低阻和高阻ZnO紫外探測(cè)器件信號(hào)采集放大電路。

2.1低阻ZnO紫外信號(hào)采集和放大電路

對(duì)于低阻紫外探測(cè)器件的偏置電路，采用恒流偏置，可避免強(qiáng)輻射時(shí)因器件消耗功率過(guò)大而產(chǎn)生的焦耳熱使探測(cè)器件失效［5］。設(shè)計(jì)的低阻ZnO紫外傳感器采集和放大電路如圖6所示。

圖6　低阻ZnO信號(hào)采集電路

三端可調(diào)恒流源器件LM134Z提供可調(diào)電流源，為探測(cè)器件提供合適的偏置電流。根據(jù)ZnO的特性，選擇了低偏置電壓、高共模抑制比的單片精密通用儀表放大器INA129，并通過(guò)電壓參考源REF3033和電位器R5為INA129提供穩(wěn)定的輸出電壓參考電位。

在暗光狀態(tài)下，調(diào)節(jié)R1使VIN1和VIN2相等，此時(shí)輸出電壓Vout=0。當(dāng)檢測(cè)到紫外光源后，運(yùn)算放大器INA129的輸出電壓會(huì)從零逐漸增大，通過(guò)信號(hào)采樣處理就可以得到ZnO紫外探測(cè)器件兩端電壓的變化值。

2.2高阻ZnO紫外信號(hào)采集電路

對(duì)于高阻ZnO探測(cè)器件，由于ZnO p型摻雜材料難以獲得，無(wú)法按照類(lèi)似于肖特基二極管的偏置電路設(shè)計(jì)，所以采用基本偏置電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要適當(dāng)選擇電壓和偏置電阻，就可以保證ZnO器件不會(huì)達(dá)到極限功率，避免了燒毀器件的可能［6］。設(shè)計(jì)的ZnO傳感器信號(hào)采集電路如圖7所示。

圖7采用了兩個(gè)ZnO傳感器，這兩個(gè)ZnO傳感器要求具有相近的測(cè)試特性。其中一個(gè)傳感器需要保持在隔離紫外光的狀態(tài)，以便能夠和接受紫外光照射的器件形成對(duì)比，這樣可減小器件因周?chē)h(huán)境或自身不穩(wěn)定因素帶來(lái)的不利影響［7］［8］。在調(diào)試過(guò)程中，需將這兩個(gè)傳感器件進(jìn)行校準(zhǔn)，使得在同一光強(qiáng)下兩個(gè)輸出端的電壓值盡量保持一致［9-10］。

圖7　高阻ZnO信號(hào)采集電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面和主體程序在Qt creator平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，采用C++語(yǔ)言編程，根據(jù)紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)出流程框圖，如圖8所示。

圖8　軟件設(shè)計(jì)主框圖

主程序主要進(jìn)行定時(shí)/計(jì)數(shù)器和A/D采集口的初始化，各子程序功能如下:①?gòu)?qiáng)度值采集及AD轉(zhuǎn)換子程序。通過(guò)采集輸出信號(hào)，利用MCU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換并保存。②強(qiáng)度值計(jì)算子程序。首先根據(jù)入射紫外光強(qiáng)度和信號(hào)采集模塊輸出電壓的P-V關(guān)系曲線得到Matlab擬合后的曲線，并得到擬合方程［11］。然后根據(jù)入射紫外光強(qiáng)度和紫外線指數(shù)之間的關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到紫外指數(shù)值。最后根據(jù)采樣值，通過(guò)公式［12］計(jì)算出當(dāng)前的紫外指數(shù)值。③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及GUI界面顯示子程序。用于存儲(chǔ)當(dāng)天紫外強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可隨時(shí)查看。

4　系統(tǒng)調(diào)試和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

調(diào)試貫穿著軟硬件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，硬件調(diào)試好后再調(diào)試軟件，程序首先要分段、分模塊調(diào)試，最后進(jìn)行集成調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試完成后，把程序下載到硬件平臺(tái)，再對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了紫外光檢測(cè)報(bào)警測(cè)試、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、響應(yīng)曲線測(cè)試及干擾試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:紫外光出現(xiàn)并達(dá)到設(shè)定的閾值后，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)能聽(tīng)到蜂鳴器報(bào)警聲，同時(shí)紅色LED警告燈閃亮；系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間為44.1 ms，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。圖9為系統(tǒng)檢測(cè)到紫外光后的報(bào)警界面。

圖9　系統(tǒng)報(bào)警界面

5　結(jié)論

用制備的ZnO納米線紫外探測(cè)器件設(shè)計(jì)了一種紫外線強(qiáng)度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，探測(cè)器件采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換調(diào)理電路后，傳送至人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)可以自動(dòng)存儲(chǔ)記錄紫外數(shù)據(jù)，并可顯示變化曲線，最后根據(jù)用戶設(shè)定的閥值而進(jìn)行實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。

ZnO納米線紫外探測(cè)器件無(wú)需濾光片的輔助，可直接進(jìn)行紫外線強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，具有成本低、精度高、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量穩(wěn)定性有待提高。進(jìn)一步研究這種新型紫外探測(cè)器件的特性，必能讓它走出實(shí)驗(yàn)室，從而應(yīng)用在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、火焰探測(cè)及導(dǎo)彈紫外告警等方面。

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陳文會(huì)（1963-），男，現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)副教授、信號(hào)與信息處理學(xué)科碩士生導(dǎo)師。1986年河北工業(yè)大學(xué)精密儀器專(zhuān)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)；1995年西安理工大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)碩士畢業(yè)；2006年西安交通大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士畢業(yè)。主要傳感器信息獲取處理與傳輸技術(shù)、智能信息處理與檢測(cè)技術(shù)等。

The Application of ZnO Nanowires UV Photodetectors*

CHEN Wenhui1*，CHEN Jiangning2，WANG Zhiyong1，QIN Xiaomeng3，HE Yongning3
（1.School of Electronic and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Shaanxi Maihang Traffic Measuring&Control Ltd.Co.，Xi'an 710061，China；3.School of Electronic and Information Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

ZnO nanowires metal-semiconductor-metal（MSM）ultraviolet detectors were fabricated on glass substrate by a single-step hydrothermal reaction.We have discussed response time and responsivity.The I-V characteristic and switch response characteristic have been measured under dark field and UV light.Based on the embedded LINUX operating system and Qt Creator software platform，the UV light detecting and alarming system is designed using S3C6410 microprocessor.This system has the advantages of low cost，high precision and quick response.

ZnO nanowires device；hydrothermal method；ultraviolet detecting；embedded system

TN364.2

A

1004-1699（2016）04-0479-05

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60876038，11375144）；西安交通大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)學(xué)科綜合交叉科研項(xiàng)目的課題項(xiàng)目

2015-08-26修改日期:2016-01-17