基于环形微热板的ZnO微气体传感器设计*

李 超， 谭秋林,， 刘文怡

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

科技的发展带来了严重的环境问题，空气中的有毒有害、易燃易爆等气体导致的雾霾等问题日益突出，对人们的健康甚至生命构成了严重的威胁，从而推动了气体传感器的市场需求[1]。

虽然现在广泛应用的半导体气体传感器具有灵敏度高、成本低、稳定性强等优点，但是需要工作在较高的温度下[2]。气敏材料的特性直接决定了传感器的性能，但其气敏特性与工作温度密切相关。因此，微热板的设计在金属氧化物气体传感器中占据了相当重要的地位。ZnO因其大比表面积、低廉的制备成本、良好的稳定性及可对H2，CH4，CO等有害气体的检测而成为有潜力的气敏材料[3～5]。

本文设计了一种具有环形微热板的气体传感器，该微热板能有效地提供传感器的工作温度，大大降低功耗。利用RF磁控溅射技术制备气敏膜ZnO，通过对制备参数的摸索，确定了一组优异参数，并将传感器进行了甲醛气体的响应测试。

1 传感器的结构设计

本文设计了一种具有环形微热板结构的硅基微气体传感器的研究方案，器件尺寸为1 mm×1 mm×0.2 mm，侧视图如图1所示。该传感器采用叉指电极作为测试电极，电极宽度和间距均为40 μm，能有效降低气敏材料的初始电阻值。所设计的环形微热板结构，电极宽度和间距均为50 μm。该传感器采用n型双抛Si片，一面集成加热电极、绝缘层、隔热层和测试电极，一面进行刻蚀工艺，从而实现传感器的低功耗。该结构的尺寸具有进一步缩小的空间，为其向微型化方向的发展提供了条件，且它可与硅平面集成化工艺兼容，因此，具有进一步向集成化与智能化方向发展的潜力。

图1 硅基微气体传感器的侧视图

2 微热板设计

在目前已实际应用的气体传感器中，金属氧化物半导体传感器占据相当重要的地位。虽然它在检测可燃性气体、还原性气体等方面存在优势，但却需要有较高的工作温度。加热器的结构决定了传感器的功耗，其温度分布对传感器的敏感性、选择性都有直接的影响。因此，加热器在气体传感器中占据了相当重要的地位。传统的微热板电极结构多采用蛇形分布，本文提出了一种新型的环形电极结构，如图1所示。为更加直观地设计出较为优化的微热板，本文利用Ansys软件进行了仿真分析。在微热板的热模拟过程中，为了简化建模，本文只考虑介质膜、金属引线以及微热板界面与空气间的传导。微热板加热功率的边界条件将通过改变加热电阻Ni的体积生成率来实现，空气对流系数设为2.5 W/(m2·K)[6]。选用Si作为基底，SiO2作为隔热层。在结构线宽与热生成率设置一致时，温度分布仿真的结果如图2所示。从图中可以看出，环形加热电极的中间温度为303.4 ℃，比蛇形加热电极高15 ℃，即在提供同一工作温度时，环形加热电极将更有效地实现传感器的低功耗。

图2 加热电极温度分布 (电极宽度50 μm,电极间距50 μm)

3 ZnO薄膜的制备与表征

3.1 ZnO薄膜的制备

利用中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所中的溅射设备LAB18在Si基片上制备ZnO薄膜，采用纯度为99.99 %的ZnO靶材。溅射前先将系统真空度抽至8.0×10-6Pa，同时将衬底升温至所需温度，然后通入Ar和O2作为溅射气体。本文摸索了RF磁控溅射制备ZnO薄膜的多种工艺条件，并用X射线衍射仪、原子力显微镜对薄膜的形貌、结晶情况进行测试分析，最终选取了一组参数，见表1。

表1 ZnO 薄膜的制备参数

3.2 ZnO薄膜的表征

图3是ZnO气敏薄膜退火前后的XRD图谱。与标准卡00—036—1451对照分析知，高温溅射的ZnO薄膜只存在(002)衍射峰，且峰型较尖锐，这表明了其有良好的C轴择优取向且结晶状况良好。退火后，并没有出现其他的衍射峰，可见退火对薄膜结构和取向的影响不大。600 ℃退火后，薄膜的C轴择优取向有明显的增强，但当退火温度达800 ℃时，其择优取向性有明显的降低。

图3 ZnO气敏薄膜的XRD图谱

ZnO气敏薄膜退火前后的表面形貌如图4所示。根据谢乐公式可知，薄膜的晶粒大小约为30～45 nm。由图可见，经600 ℃退火的ZnO薄膜的致密性明显优于未退火和800 ℃退火处理的薄膜，这说明退火处理提高了衬底表面的活化能，使得Zn和O原子具有足够的能量进行原子的重新排列，从而使得小的晶粒易于合并形成质量较好的ZnO薄膜。但对比图4(a),(c)可知，800 ℃的退火温度使得薄膜的结晶质量反而降低，这可能是因为过高的退火温度使薄膜中Zn和O原子能量过高，与衬底之间的扩散现象加剧，最终导致薄膜的缺陷增加。

图4 ZnO气敏薄膜的AFM图

4 传感器测试

在工作温度范围内，CH4被吸附在ZnO气敏薄膜的表面，致使气敏材料的耗尽层发生变化，从而ZnO的电阻值发生变化。图5是传感器对1000×10-6CH4的温度—灵敏度曲线。从图中可以看出:当温度低于250 ℃时，传感器对CH4的灵敏度随温度的升高而增大；当温度高于250 ℃时，灵敏度开始逐渐下降，且在250 ℃时对CH4有着良好的响应。这是因为过高的温度下，解吸率大于吸附率，使得灵敏度降低。图5显示出了在250 ℃时，传感器对气体体积分数(200～1000)×10-6CH4的敏感特性。由图可见，传感器在250 ℃对1000×10-6CH4气体的灵敏度响应达76 %。

图5 传感器的气敏特性曲线

5 结 论

本文设计了一种新型微热板结构，和传统的蛇形结构相比，该结构能有效地供给传感器的工作温度，进而有效降低功耗。采用RF磁控溅射技术制备ZnO薄膜并进行了表面形貌、结晶取向的测试，得出了衬底温度250 ℃,ψ(Ar∶O2)=24∶3,溅射功率150 W的薄膜特性较好，并且在空气中600 ℃下退火30 min，薄膜的结晶特性明显得到了改善，利于吸附气体。所设计的传感器在250 ℃时，对CH4气体有较高的响应灵敏度。

参考文献:

[1] Evgeni Eltzova,Vladislav Pavluchkov.Creation of a fiber-optic-based biosensor for air toxicity monitoring[J].Sensors and Actuators B：Chemical,2011,155(2):859-867.

[2] 柏自奎.金属氧化物气敏元件阵列的制备与性能研究[D].武汉:华中科技大学,2008:1-10.

[3] Trivikrama G S Rao,Tarakarama Rao D.Gas sensitivity of ZnO-based thick film sensor to NH3at room temperature[J].Sensors and Actuators B:Chemical,1999,55(2-3):166-169.

[4] Wei Shaohong,Yu Yang,Zhou Meihua.CO gas sensing of Pd-doped ZnO nanofibers synthesized by electrospinning method[J].Materials Letters,2010,64(21):2284-2286.

[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.

[6] Kazuhiro Kato, Hideo Omoto.Visible and near infrared light absorbance of Ag thin films deposited on ZnO under layers by magnetron sputtering[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95(8):2352-2356.