ZnO納米器件在紫外線強度監(jiān)測報警中的應用*

陳文會，陳江寧，王志勇，祁曉萌，賀永寧

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

ZnO納米器件在紫外線強度監(jiān)測報警中的應用*

陳文會1*，陳江寧2，王志勇1，祁曉萌3，賀永寧3

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

采用水熱方法，在光刻好的叉指電極間實現了ZnO納米線的生長，制備出金屬-半導體-金屬（MSM）ZnO納米線紫外探測器件，對其在暗場、紫外光下的I-V特性以及開關響應特性進行了測試。以S3C6410微處理器為核心，使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺、Qt creator應用開發(fā)環(huán)境，設計了一種基于該探測器件的紫外線強度監(jiān)測報警系統(tǒng)，實現了在實驗室、環(huán)境污染監(jiān)測等方面的紫外線強度實時監(jiān)測和聲光報警功能，該系統(tǒng)具有成本低、精度高、響應迅速的優(yōu)點。

ZnO納米器件；水熱法；紫外線監(jiān)測；嵌入式系統(tǒng)

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

由于軍事應用的帶動作用和民用方面極高的應用價值，使紫外探測技術成為繼紅外與激光技術之后發(fā)展起來的又一軍民兩用的光電子技術［1］。

ZnO是一種具有光電特性的直接寬帶隙半導體材料，它在常溫下的禁帶寬度是3.37 eV，與GaN的禁帶寬度相似［2］，同時它的激子結合能高達60 meV，遠大于ZnSe（22 meV）和GaN（25 meV）等其他寬帶隙半導體。ZnO紫外傳感器量子效率高、噪聲低、響應速度快，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、電子、場發(fā)射、壓電、能源、催化等領域已經顯示出良好的應用前景［4］。目前在國際上，制備高性能的紫外探測器還處于研究階段。

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光電導型探測器件，測試器件的電學性能，然后采用該器件設計了一種嵌入式Linux紫外線強度監(jiān)測報警系統(tǒng)。

1　紫外探測器件制備與性能測試

1.1紫外探測器件制備

實驗選取玻璃作為器件的基底，根據標準的清洗步驟對玻璃襯底進行清洗。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靶材通過射頻磁控濺射的方法在已經制備了銀叉指型電極的基底上制備ZnO薄膜，用于引導后續(xù)的水熱法ZnO納米線的生長。通過水熱法進行ZnO納米線陣列的生長，前驅反應液為0.025 mol/L的二水合乙酸鋅與六次甲基四胺各100 mL，反應溫度80℃，反應時間為3 h。實驗結束后，將樣片從溶液中取出，用去離子水沖洗干凈，再用氮氣吹干，置于50℃烘箱中使其充分干燥。

在實驗室制備的ZnO納米線MSM結構探測器的器件結構如圖1所示。

圖1　ZnO納米線探測器結構示意圖

實驗中制成的器件如圖2所示。

圖2　在玻璃基片上制備的器件成品

器件制備好后，需要引出電極并進行封裝，然后就可以進行導線外接和測試工作了。

1.2紫外探測器件電學特性測試

由上海嘉鵬ZF-8型紫外光源提供波長365 nm的紫外光作為紫外產生光源，使用Agilent B2902A雙通道源表測量器件IV特性和瞬態(tài)響應并保存測量結果，測試均在室溫下進行。

1.2.1紫外探測器件的I-V特性

由于ZnO探測器件會受到周圍空氣濕度、氣體等影響，所以需要做好封裝工作。首先將器件放置于暗箱中一段時間，等ZnO納米線紫外探測器穩(wěn)定后，連接測試電路，打開測試按鈕，設置數字源表電壓掃描范圍為-40 V～40 V。在無紫外光照下和有365 nm紫外光照射下進行I-V特性的測試。

在無紫外光照條件下，測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，重復性是它的一個重要的特性。在本研究中，為了檢查該紫外探測傳感器的重復性，我們設計了一個實驗，將器件用黑盒罩住，打開紫外光源的365 nm紫外光檔位，使用北師大UV-313型紫外線強度計測量暗箱中的紫外強度，待紫外強度穩(wěn)定后取下黑盒，使紫外光照射器件，發(fā)現當有紫外光照射時，器件的電流迅速增大，在5 V偏壓下，365 nm紫外光照射產生的光電流約為2 mA，比暗電流高了3個數量級，說明變化明顯；接著調節(jié)精密數字源表使其產生-15 V～15 V的掃描電壓，對同一量程重復五次測試，測試結果的I-V曲線分別用黑、紅、綠、藍、紫五種顏色表示。

圖3　暗場下I-V曲線

結果發(fā)現，在同一量程重復五次測試的I-V特性曲線大致重合，說明器件重復性好。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，說明器件無滯后。

1.2.2紫外探測器件的瞬態(tài)響應特性

紫外光源開啟后，ZnO吸收紫外光產生大量光生電子-空穴對，電導率增加使得電流增大。關閉紫外光源后，由于光生載流子的復合，電導率減小使得器件的電流減小并恢復至暗場水平。說明ZnO納米線紫外探測器件能夠快速響應，能達到紫外報警的應用要求。紫外光響應過程如圖4所示。

圖4　瞬態(tài)響應曲線

1.3可見光對器件紫外探測性能的影響實驗

利用上海嘉鵬ZF-8型紫外光源提供可見光，并逐漸增強可見光的強度，將ZnO紫外強度采集模塊放置暗箱中倒計時3 min，倒計時過程中系統(tǒng)并沒有報警，說明系統(tǒng)在可見光干擾下能正常工作。

2　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)設計采用三星公司的ARM11芯片S3C6410作為主控CPU，利用其內部的AD轉換。根據ZnO納米線紫外光傳感器的特點，設計了專用信號放大和調理電路。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖5所示。

圖5　硬件總體設計框圖

通過對制備的ZnO納米紫外探測器件的測量發(fā)現: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，而高阻值范圍內最高阻值能達到幾百兆歐左右，為了讓不同器件都能工作在較好狀態(tài)，分別設計了低阻和高阻ZnO紫外探測器件信號采集放大電路。

2.1低阻ZnO紫外信號采集和放大電路

對于低阻紫外探測器件的偏置電路，采用恒流偏置，可避免強輻射時因器件消耗功率過大而產生的焦耳熱使探測器件失效［5］。設計的低阻ZnO紫外傳感器采集和放大電路如圖6所示。

圖6　低阻ZnO信號采集電路

三端可調恒流源器件LM134Z提供可調電流源，為探測器件提供合適的偏置電流。根據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，調節(jié)R1使VIN1和VIN2相等，此時輸出電壓Vout=0。當檢測到紫外光源后，運算放大器INA129的輸出電壓會從零逐漸增大，通過信號采樣處理就可以得到ZnO紫外探測器件兩端電壓的變化值。

2.2高阻ZnO紫外信號采集電路

對于高阻ZnO探測器件，由于ZnO p型摻雜材料難以獲得，無法按照類似于肖特基二極管的偏置電路設計，所以采用基本偏置電路來實現。只要適當選擇電壓和偏置電阻，就可以保證ZnO器件不會達到極限功率，避免了燒毀器件的可能［6］。設計的ZnO傳感器信號采集電路如圖7所示。

圖7采用了兩個ZnO傳感器，這兩個ZnO傳感器要求具有相近的測試特性。其中一個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比，這樣可減小器件因周圍環(huán)境或自身不穩(wěn)定因素帶來的不利影響［7］［8］。在調試過程中，需將這兩個傳感器件進行校準，使得在同一光強下兩個輸出端的電壓值盡量保持一致［9-10］。

圖7　高阻ZnO信號采集電路

3　系統(tǒng)軟件設計

人機交互界面和主體程序在Qt creator平臺上開發(fā)，采用C++語言編程，根據紫外線指數監(jiān)測報警系統(tǒng)要實現的功能，設計出流程框圖，如圖8所示。

圖8　軟件設計主框圖

主程序主要進行定時/計數器和A/D采集口的初始化，各子程序功能如下:①強度值采集及AD轉換子程序。通過采集輸出信號，利用MCU內部A/D轉換并保存。②強度值計算子程序。首先根據入射紫外光強度和信號采集模塊輸出電壓的P-V關系曲線得到Matlab擬合后的曲線，并得到擬合方程［11］。然后根據入射紫外光強度和紫外線指數之間的關系式進行轉換，得到紫外指數值。最后根據采樣值，通過公式［12］計算出當前的紫外指數值。③數據存儲及GUI界面顯示子程序。用于存儲當天紫外強度數據，可隨時查看。

4　系統(tǒng)調試和應用實驗

調試貫穿著軟硬件開發(fā)的全過程，硬件調試好后再調試軟件，程序首先要分段、分模塊調試，最后進行集成調試。系統(tǒng)調試完成后，把程序下載到硬件平臺，再對整機系統(tǒng)進行測試。在測試實驗中，對系統(tǒng)進行了紫外光檢測報警測試、系統(tǒng)響應時間測試、響應曲線測試及干擾試驗測試。測試結果表明:紫外光出現并達到設定的閾值后，實驗現場能聽到蜂鳴器報警聲，同時紅色LED警告燈閃亮；系統(tǒng)的平均響應時間為44.1 ms，能夠滿足實際應用要求。圖9為系統(tǒng)檢測到紫外光后的報警界面。

圖9　系統(tǒng)報警界面

5　結論

用制備的ZnO納米線紫外探測器件設計了一種紫外線強度監(jiān)測報警系統(tǒng)，探測器件采集到的信號經過轉換調理電路后，傳送至人機交互界面進行實時顯示，系統(tǒng)可以自動存儲記錄紫外數據，并可顯示變化曲線，最后根據用戶設定的閥值而進行實時聲光報警。

ZnO納米線紫外探測器件無需濾光片的輔助，可直接進行紫外線強度監(jiān)測，具有成本低、精度高、響應迅速的優(yōu)點，但測量穩(wěn)定性有待提高。進一步研究這種新型紫外探測器件的特性，必能讓它走出實驗室，從而應用在環(huán)境污染監(jiān)測、火焰探測及導彈紫外告警等方面。

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陳文會（1963-），男，現為西北工業(yè)大學電子信息學副教授、信號與信息處理學科碩士生導師。1986年河北工業(yè)大學精密儀器專業(yè)大學本科畢業(yè)；1995年西安理工大學測試計量技術及儀器專業(yè)碩士畢業(yè)；2006年西安交通大學電子科學與技術專業(yè)博士畢業(yè)。主要傳感器信息獲取處理與傳輸技術、智能信息處理與檢測技術等。

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

項目來源:國家自然科學基金項目（60876038，11375144）；西安交通大學基本科研業(yè)務費學科綜合交叉科研項目的課題項目

2015-08-26修改日期:2016-01-17