NO,2气体薄膜传感器阵列制备及特性研究

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1、电子科技大学硕士学位摘要本论文从气体传感器研究的三个主要方面一一气敏材料、器件结构、敏感特性及机制出发，设计了化学场效应管阵列NO。气体传感器；利用自组装技术制备了NO：气敏薄膜，并进行了微观结构表征和分析，同时在薄膜气敏特性研究的基础上对阵列器件的NO。气敏特性和敏感机理进行了研究。1．刹用微电子半导体工艺与自组装技术相结合，首次在气敏薄膜制各和研究的基础上根据气敏传感器的主要特性参数以及MOS管的基本特性参数设计并制造了利用聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合膜代替MOSFET中栅极金属的化学场效应管气体传感器阵列。2．采用硼氢化钠还原氯金酸制备了金

2、胶体，通过静电自组装制各了金纳米粒子薄膜，在此基础上采用掺杂诱导沉积在纳米金表面自组装聚苯胺／聚苯乙烯磺酸薄膜并对薄膜的自组装过程和微观结构进行了分析和表征。(1)紫外．可见光吸收光谱研究表明，所制各的金溶胶为单分散体系且胶体粒子接近球形，粒径分布较窄。(2)AFM观察表明，与其他三种溶胶比较，使用乙醇溶剂胶体的自组装膜沉积粒子的分布比较均匀，平整度最好，达到纳米量级。在金表面之上的聚苯胺自组装膜结构致密、均匀，晶向一致并且基底金膜改善了基底的平整度。(3)XPS分析表明聚苯胺只在表面被部分掺杂，所制各自组装膜均匀、致密。结合AFM分析与实验观察

3、，证实在胶体金的合成过程中，还原剂量越多，金纳米粒子的粒径越小且粒子为球形，粒度较均一，单分散性好；随着还原剂用量的减少，金纳米粒子的粒径变大，但其形状呈较明显的椭圆形。(4)通过红外吸收谱对纳米金基底掺杂态聚苯胺薄膜结构进行了研究，发现纳米金膜做基底的聚苯胺复合膜在1680cm。1出现了新的吸收峰，这可能是由与芳环共轭的C=0伸缩振动频率所引起(典型值为1683cm。1)，或者是羰基与a、B不饱和双键共轭，从而削弱了碳氧双键，使羰基伸缩振动吸收频率向低波数位移所引起。(5)阐明了胶体金的稳定机理并通过实验证实了本论文独创的乙醇溶剂硼氢化钠还原剂

4、的金溶胶稳定性最好。胶体金基膜的XRD分析表明乙醇溶剂硼氢化钠还原剂的金溶胶胶体粒度在1．7nm左右。(6)对薄膜的气敏特性测试表明，聚苯胺薄膜对N02气体的灵敏度随膜层增加而增加，并且薄膜厚度在30层以下时灵敏度随着气体浓度增加近似线电子科技大学硕士学位现性增加，当膜层大于30层以后，灵敏度随浓度近似指数上升。3．对阵列的气敏特性进行了测试并对器件的气敏机理进行了分析。研究发(1)本文设计的无栅结构气敏阵列器件在一定浓度气氛中的重复性和响应时问(开关特性)均优于槽栅CFT器件。这主要是由于槽栅器件在实际工作中并不能保证栅极边缘两条金属线电压完全

5、相等，导致栅内敏感膜与栅边缘金属形成平面介质电容，影响了器件性能。而本文设计的无栅器件则可以保证没有器件结构引起的表面电位梯度存在。另外，经过实验确定了适宜的测量工作区应在阈值电压附近的亚闽区。在此区间比较了不同栅极绝缘层厚度以及不同处理工艺条件阵列的气敏特性，结果表明栅极绝缘层厚度与器件的灵敏度有很大关系，而增加金基底则实现了器件对NO，气体响应输出灵敏度的提高。(2)对阵列的气敏测试表明，在低浓度(20ppm以下)时器件的灵敏度输出与气体浓度呈对数增加关系并且在低浓度时随薄膜膜数层增加器件响应输出的灵敏度降低，在高浓度(大于20ppm)时器件

6、的灵敏度输出与气体浓度呈对数减小关系并且在高浓度时随薄膜层数增加器件响应输出的灵敏度增加。与敏感膜的气敏特性测试结果比较后可以认为在一定的膜层时阵列响应随气体浓度增大而指数增大，到一定浓度达到最大值，随后出现“中毒”现象。在“中毒”前，膜层的增加一方面使薄膜的电导降低，薄膜电导变化更加明显，灵敏度增加。另一方面，膜层的增加导致表面功函数变化对体内能级影响的能力降低，器件灵敏度减小，当这种影响降低到一定程度时就表现出完全的薄膜敏感特性，电流以从相邻的两电极之间流过的表面电流为主，响应特性类似于叉指电极。膜层较厚时在中毒前膜层的增加导致的表面功函数变

7、化对体内能级影响的能力降低起主要作用，因而灵敏度比膜层较少的器件小。而中毒后使气敏膜的厚度效应起主要作用，这又使其灵敏度比膜层较少的器件高。同时膜层的增加还导致气体分子扩散的范围增加延长了响应时间。正是气体浓度和膜层的共同作用使得气敏阵列呈现出了独特而复杂的敏感特性。实验测试结果还发现，宽度相同的器件，一般情况下宽长比越大灵敏度越高。而且阵列的响应时间一般在几十到数百毫秒量级，优于传统的平面电极以及报道的场效应管传感器。MOS管的基本特性也决定了器件的宽长比提高有利于器件检测范围的增大。(3)首次对影响化学场效应管阵列气敏特性的温湿度因素进行了系

8、统测试和分析，结果表明气敏阵列的响应灵敏度与温湿度有良好的线性关系。电子科技大学硕士学位关键词：NO。敏感化学场效应管阵列自组装电子科技