光激活纳米氧化物半导体气敏传感器 【技术领域】
本发明涉及一种光激活纳米氧化物半导体气敏传感器，是一种采用纳米氧化物半导体材料为敏感介质、利用光激活原理检测气体的传感器，属于气敏传感器技术领域。
背景技术
电导控制型气敏传感器是通过特定的环境气体引起敏感材料电阻变化来检测气体。普通氧化物半导体(SnO2，ZnO等)气敏传感器都需要一定的工作温度(＞200℃)，其原理是，通过热激发激活气体分子和半导体表面之间的化学吸附、脱附反应，引起半导体和气体之间的电荷转移，达到改变半导体材料电阻特性从而检测气体的目的。由于需制作加热器，这类传感器功耗高、难以集成，特别在可燃性气体环境中可能引发事故，带来安全隐患。
光激活气体检测方法是，用一定频率和强度的聚焦光束照射在氧化物半导体表面，通过半导体和气体分子对入射光子的吸收，激活二者之间的化学吸附、脱附反应，达到检测气体分子的目的。这种方法不需要制作加热器，使传感器可以在室温下对低浓度气体进行实时快速检测。国外的研究工作发现(Comini E，Cristalli A，Faglia G，Sberveglieri G，Light enhanced gas sensingproperties of indium oxide and tin dioxide sensors.Sensors & ActuatorsB-Chemical，2000，65(1-3)，260-263)，在紫外光照射下，SnO2和In2O3等氧化物半导体薄膜能够在室温下对CO、NO2等气体有敏感响应。但是他们未能制作出相应的传感器结构，所用的激发光为有一定频谱分布的复色光源，而且制备氧化物半导体薄膜的方法可控性差、薄膜质量不高，使得该方法灵敏度低，难以用于实际气体检测。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种光激活纳米氧化物半导体气敏传感器，通过提高光激活检测气体的灵敏度，使之达到实际可用，能在室温下实时快速检测低浓度气体。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，光激活纳米氧化物半导体气敏传感器的基本组成包括：光激发器、微结构气敏芯片和定位台。其中光激发器由照明光源、会聚镜、单色仪和聚焦透镜组构成，整体紧固在支架上，以提供频率和强度可调的激发光束。照明光源发射出地光束经会聚镜聚焦，再通过单色仪成为频率可调的单色光，经过聚焦透镜组会聚照射在微结构气敏芯片上。微结构气敏芯片由硅基底、硅基底上的叉形电极及覆盖在叉形电极上的半导体氧化物敏感膜构成，并固定在定位台上。支架和定位台都固定在减震台上。
为提高传感器检测灵敏度，光激发器采用频率和强度可调的聚焦单色光束激发。照明光源采用卤素汞灯和低压氙灯，其光谱包含了从紫外到可见光丰富的频率范围，经会聚、再通过单色仪滤色，从而达到精确选择激发光频率的目的。最后通过垂直位置可变的双凸透镜对单色光进行聚焦和强度调节，照射在微结构气敏芯片上。
微结构气敏芯片采用硅片作基底，正面采用MEMs(微机电)平面工艺制备厚1μm，指宽300μm，间距100μm的Au叉形电极，叉形电极的间距小，能提高光电导及气敏引起电导变化的检测灵敏度。
半导体氧化物敏感膜是在等离子体助高温化学CVD(化学气相沉积)管式炉中，用高温热蒸发相应靶材的方法在硅基底上沉积得到的纳米晶薄膜，设计将叉式电极埋藏在敏感膜下面，可以最大限度利用有效检测面积，提高检测效率。利用纳米晶薄膜中纳米颗粒比表面积大、吸收峰蓝移等表面效应和量子尺寸效应，可以提高纳米薄膜光吸收和光激活效率，从而提高薄膜气体检测灵敏度。
微结构气敏芯片固定在定位台上，可以用手动或步进电机驱动的方式在二维平面内调节移动，以保证激发光束和芯片之间的精确定位。微结构气敏芯片上两引出电极可以连接电阻测量电路，通过电阻测量电路测量敏感膜在吸附气体后的电阻变化，在集成信号处理电路时则可以作为信号输入端。定位台及光激发器整体固定在减震台上。
光激活传感器的工作原理在于，半导体氧化物薄膜在吸收能量与其禁带宽度相当的光子后，价带电子可以从跃迁到导带，产生非平衡的光生载流子。载流子在复合前可以迁移到半导体表面，与特定气体分子发生有电荷转移的化学吸附过程。这一过程带来的两个结果会对材料气敏特性产生影响。以灵敏度S＝(ΔR/R)×100和响应速度t为例：(1).载流子浓度的增大和界面位垒的降低减小了材料电阻R。(2).表面电荷密度的减小使气体化学吸附反应平衡向促进吸附的方向移动，使ΔR增大，缩短t。光照后增大了灵敏度S，加快了响应速度。通过选择与材料禁带宽度相当的激发光频率，可以有效的激发光生载流子。当气体分子在吸收一定能量的光子之后，也会从通常情况下的基态跃迁到激发态，紫外光照射，可以引起大多数分子的光激活，光激活后的气体分子室温下可以在半导体表面发生化学吸附，引起薄膜电阻变化，实现室温气体检测。
本发明提供了一种光激活纳米氧化物半导体气敏传感器，它使用单色仪对激发光进行滤色，可以方便的选择与敏感薄膜材料禁带宽度相匹配的激发光频率，保证光激活效率；采用高温化学CVD法制备纳米晶氧化物半导体薄膜，提高气体检测灵敏度；通过设计小间距叉形检测电极进一步提高检测灵敏度。这种传感器作为光激活原理检测气体的一种传感器实例，可用于低浓度气体的室温快速检测。
【附图说明】
图1为本发明光激活纳米氧化物半导体气敏传感器结构示意图。
图1中，1为照明光源，2为会聚镜，3为单色仪，4为聚焦透镜组，5为微结构气敏芯片，6为定位台，7为固定支架，8为减震台。
图2为本发明中微结构气敏芯片结构示意图。
图2中，(a)为俯视图，(b)为垂直剖面图。9为叉形电极，10为半导体氧化物敏感膜，11为电极引线，12为硅基底。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明光激活纳米氧化物半导体气敏传感器结构如图1所示，主要由光激发器、微结构气敏芯片5和定位台6组成，其中光激发器由照明光源1、会聚镜2、单色仪3和聚焦透镜组4构成，整体紧固在支架7上，照明光源1发射出的光束经会聚镜2聚焦，再通过单色仪3成为频率可调的单色光，经过聚焦透镜组4会聚照射在微结构气敏芯片5上。
微结构气敏芯片5固定在定位台6上，可以用手动或步进电机驱动的方式在二维平面内调节移动，以保证激发光束和芯片之间的精确定位。
减震台8的台面上有空距130mm的M6螺孔阵列，可以方便的将光激发器固定支架7和定位台6固定在台面上并防震稳定。
微结构气敏芯片5的结构如图2所示，采用硅片作基底，在硅基底12的上面采用MEMs平面工艺制备厚1μm，指宽300μm，间距100μm的Au叉形电极9，以提高检测灵敏度。再在硅片正面叉形电极之上，在等离子体助高温化学CVD管式炉中，用高温热蒸发方法沉积纳米晶半导体氧化物敏感膜10，这样将叉形电极9埋藏在敏感膜下面，可以最大限度利用有效检测面积，提高检测效率。叉形电极9端部刻蚀去敏感层，压焊两根电极引线11。室温下，当环境出现特定气体，在光激发器发出的光束辐照之下，气体分子和半导体氧化物敏感膜10之间发生光激活的化学脱附、吸附反应，引起薄膜电阻变化，通过电极引线11可以测量之一变化，从而检测环境气体。
本发明一个实施例中的照明光源1采用国产XQ150球型氙灯和GCQ200型球型汞灯，配用相应配套光源；会聚镜2采用一只ф50mm石英凸透镜；单色仪3采用SSM300型单色仪，焦距300mm，相对孔径f/6；聚焦透镜组4由两片垂直位置可调的ф50mm的石英凸透镜构成。
微结构气敏芯片5的硅基底12尺寸为1cm×1cm，正面叉形电极9用微加工光刻剥离工艺制作，图2(a)为叉形电极结构，材料为Au薄膜，厚1μm，指宽300μm，指间距100μm。
半导体氧化物敏感膜10采用水热法合成SnO2、ZnO、TiO2、In2O3粉体靶材中的任何一种，在等离子体高温化学CVD管式炉中用高温热蒸发的方法制备覆盖在电极上，两电极引出点上方去除掉表层覆盖的氧化物半导体膜，压焊后引出电极引线11，外接电阻测量电路。通过测量光照下吸附气体后的薄膜电阻变化检测环境气体。
气体检测方法是：适当调节由光激发器出射光束的频率和强度，聚焦照射在微结构气敏芯片5上，通过光激活气体分子与氧化物半导体敏感膜10表面的化学吸附和脱附反应，通过叉形电极9测量敏感膜电阻变化，在室温下实时、快速检测低浓度气体。