基于環形微熱板的ZnO微氣體傳感器設計*

李 超， 譚秋林,， 劉文怡

(1.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

科技的發展帶來了嚴重的環境問題，空氣中的有毒有害、易燃易爆等氣體導致的霧霾等問題日益突出，對人們的健康甚至生命構成了嚴重的威脅，從而推動了氣體傳感器的市場需求[1]。

雖然現在廣泛應用的半導體氣體傳感器具有靈敏度高、成本低、穩定性強等優點，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。因此，微熱板的設計在金屬氧化物氣體傳感器中占據了相當重要的地位。ZnO因其大比表面積、低廉的制備成本、良好的穩定性及可對H2，CH4，CO等有害氣體的檢測而成為有潛力的氣敏材料[3～5]。

本文設計了一種具有環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磁控濺射技術制備氣敏膜ZnO，通過對制備參數的摸索，確定了一組優異參數，并將傳感器進行了甲醛氣體的響應測試。

1 傳感器的結構設計

本文設計了一種具有環形微熱板結構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，側視圖如圖1所示。該傳感器采用叉指電極作為測試電極，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。所設計的環形微熱板結構，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、隔熱層和測試電極，一面進行刻蝕工藝，從而實現傳感器的低功耗。該結構的尺寸具有進一步縮小的空間，為其向微型化方向的發展提供了條件，且它可與硅平面集成化工藝兼容，因此，具有進一步向集成化與智能化方向發展的潛力。

圖1 硅基微氣體傳感器的側視圖

2 微熱板設計

在目前已實際應用的氣體傳感器中，金屬氧化物半導體傳感器占據相當重要的地位。雖然它在檢測可燃性氣體、還原性氣體等方面存在優勢，但卻需要有較高的工作溫度。加熱器的結構決定了傳感器的功耗，其溫度分布對傳感器的敏感性、選擇性都有直接的影響。因此，加熱器在氣體傳感器中占據了相當重要的地位。傳統的微熱板電極結構多采用蛇形分布，本文提出了一種新型的環形電極結構，如圖1所示。為更加直觀地設計出較為優化的微熱板，本文利用Ansys軟件進行了仿真分析。在微熱板的熱模擬過程中，為了簡化建模，本文只考慮介質膜、金屬引線以及微熱板界面與空氣間的傳導。微熱板加熱功率的邊界條件將通過改變加熱電阻Ni的體積生成率來實現，空氣對流系數設為2.5 W/(m2·K)[6]。選用Si作為基底，SiO2作為隔熱層。在結構線寬與熱生成率設置一致時，溫度分布仿真的結果如圖2所示。從圖中可以看出，環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，環形加熱電極將更有效地實現傳感器的低功耗。

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與納米仿生研究所中的濺射設備LAB18在Si基片上制備ZnO薄膜，采用純度為99.99 %的ZnO靶材。濺射前先將系統真空度抽至8.0×10-6Pa，同時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、原子力顯微鏡對薄膜的形貌、結晶情況進行測試分析，最終選取了一組參數，見表1。

表1 ZnO 薄膜的制備參數

3.2 ZnO薄膜的表征

圖3是ZnO氣敏薄膜退火前后的XRD圖譜。與標準卡00—036—1451對照分析知，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軸擇優取向且結晶狀況良好。退火后，并沒有出現其他的衍射峰，可見退火對薄膜結構和取向的影響不大。600 ℃退火后，薄膜的C軸擇優取向有明顯的增強，但當退火溫度達800 ℃時，其擇優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。根據謝樂公式可知，薄膜的晶粒大小約為30～45 nm。由圖可見，經600 ℃退火的ZnO薄膜的致密性明顯優于未退火和800 ℃退火處理的薄膜，這說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行原子的重新排列，從而使得小的晶粒易于合并形成質量較好的ZnO薄膜。但對比圖4(a),(c)可知，800 ℃的退火溫度使得薄膜的結晶質量反而降低，這可能是因為過高的退火溫度使薄膜中Zn和O原子能量過高，與襯底之間的擴散現象加劇，最終導致薄膜的缺陷增加。

圖4 ZnO氣敏薄膜的AFM圖

4 傳感器測試

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

圖5 傳感器的氣敏特性曲線

5 結 論

本文設計了一種新型微熱板結構，和傳統的蛇形結構相比，該結構能有效地供給傳感器的工作溫度，進而有效降低功耗。采用RF磁控濺射技術制備ZnO薄膜并進行了表面形貌、結晶取向的測試，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，薄膜的結晶特性明顯得到了改善，利于吸附氣體。所設計的傳感器在250 ℃時，對CH4氣體有較高的響應靈敏度。

參考文獻:

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[5] Ishizaki H,Imaizumi M,Matsuda S,et al.Incorporation of boron in ZnO film from an aqueous solution containing zinc nitrate and dimethylamine-borane by electrochemical reaction[J].Thin Solid Films,2002,411(1):65-68.

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