專利名稱：：制備氧化鐵煙敏薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于氣敏傳感
技術(shù)領(lǐng)域：
?，F(xiàn)有的氣敏器件主要有燒結(jié)型氣敏元件，離子敏感煙探測(cè)器和紅外煙霧探測(cè)器等。如日本松下公司生產(chǎn)的燒結(jié)型γ-Fe2O3氣敏傳感器，國內(nèi)哈爾濱通江晶體管廠生產(chǎn)的燒結(jié)型氧化鐵系及氧化錫系氣敏傳感器，核工業(yè)部262廠生產(chǎn)的離子敏感煙探測(cè)器，西安交大研制的紅外煙霧探測(cè)器等。這些器件和探測(cè)器都不同程度地存在有一定的缺陷，如燒結(jié)型氣敏元件選擇性較差，不是對(duì)煙霧不敏感就是不能將煙霧與H2、LPG、CH4、C2H3OH等雜氣加以區(qū)分，易形成誤報(bào)誤測(cè)，離子敏感煙探測(cè)器由于采用價(jià)格昂貴的同位素進(jìn)行探測(cè)，再經(jīng)微電流放大(約10-13A)，因此工藝復(fù)雜，要求精度高，其成本也高(每只探頭售價(jià)約300元)，使推廣應(yīng)用受到限制;紅外煙霧探測(cè)器同樣也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高昂等不足。因此，將敏感材料薄膜化，不僅能大幅度提高靈敏度、選擇性、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，而且在薄膜材料元件化后，可以進(jìn)一步提高其一致性，重復(fù)性，縮小元件體積，降低成本和功耗。但目前敏感材料薄膜化的研究主要集中在氧化錫系列，如天津大學(xué)電子工程系，中科院合肥智能機(jī)械所等單位所進(jìn)行的研究，這種薄膜由于采用四氯化錫為源物質(zhì)，因此存在對(duì)煙霧敏感性差(甚至不敏感)并對(duì)膜的生長(zhǎng)系統(tǒng)具有腐蝕性等不足。本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)的不足，提供一種靈敏度高，選擇性好，響應(yīng)恢復(fù)速度快、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，且對(duì)成膜系統(tǒng)無危害的氧化鐵煙敏薄膜的制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方法是采用常壓化學(xué)氣相淀積法，用金屬有機(jī)化合物五羰基鐵[Fe(CO)5]為源物質(zhì)，以氬氣或氮?dú)鈹y帶與氧氣進(jìn)行反應(yīng)生長(zhǎng)氧化鐵薄膜，在薄膜的生長(zhǎng)過程中對(duì)氧化鐵薄膜進(jìn)行了有效的摻雜。該常壓化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)裝置如圖1所示。圖中(1)為測(cè)、控溫儀，(2)為反應(yīng)室，(3)為襯底，(4)為混氣瓶，(5)為五羰基鐵源，(6)、(7)、(8)為干燥劑，(9)、(10)、(11)為流量計(jì)，(12)為雜質(zhì)源，(13)為閥門(用以控制是否對(duì)樣品進(jìn)行摻雜)。對(duì)于非摻雜樣品，其工藝條件為襯底溫度80～150℃載氣(Ar)流量100～200ml/分氧氣(O2)流量50～150ml/分沉積時(shí)間10～20分。對(duì)于摻雜樣品，其工藝條件為襯底溫度80°-150℃載氣(Ar)流量源100～200ml/分雜質(zhì)～25ml/分氧氣流量O250～150ml/分沉積時(shí)間10～20分本發(fā)明的操作方法1.將高純Al2O3陶瓷基片或玻璃片、附有SiO2層的硅片作為襯底基片，并在此襯底基片上制作出叉指狀(又稱梳狀)電極，即采用厚膜工藝，將以鈀-銀漿料為原料的電極印上，再經(jīng)烘干送入傳送式燒結(jié)爐燒結(jié)，其溫度-時(shí)間關(guān)系如圖2所示。制成的基片外形如圖3所示。2.將已制備電極的襯底在有溶劑(丙酮及乙醇)浸泡下超聲清洗，再用去離子水反復(fù)沖洗，并在90°～110°條件下烘干備用。3.用金屬有機(jī)化合物五羰基鐵[Fe(CO)5]作為化學(xué)氣相淀積的反應(yīng)源物質(zhì)，通過控制可以分別制備出非摻雜或摻入Sn，Ti，Zr，Sn+Ti，Ti+Zr等其中任意一種(或兩種)雜質(zhì)的氧化鐵煙敏薄膜。對(duì)于非摻雜氧化鐵煙敏薄膜，其化學(xué)反應(yīng)式為在襯底上制備出顏色為紅棕色，厚度可控的多晶態(tài)氧化鐵薄膜。以下給出本發(fā)明的幾種實(shí)施例實(shí)例1襯底材料玻璃基片襯底溫度95℃淀積時(shí)間13分氧氣流量(O2)-120ml/分載氣流量(Ar)-160ml/分在此條件下制備的氧化鐵煙敏薄膜，分析測(cè)量結(jié)果表明，其薄膜是膜厚為2700的非晶質(zhì)α-Fe2O3薄膜。實(shí)例2襯底材料硅片襯底溫度105℃淀積時(shí)間10分Ar流量～140ml/分O2流量～110ml/分在此條件下制備的氧化鐵煙敏薄膜，分析測(cè)量結(jié)果表明，其薄膜屬α-Fe2O3多晶體，膜厚為2000，晶粒直徑約為1μm。實(shí)例3襯底材料陶瓷基片(95%Al2O3)襯底溫度105℃淀積時(shí)間15分Ar流量～160ml/分Q2流量～125ml/分在此條件下制備的氧化鐵煙敏薄膜為α-Fe2O3多晶體，晶粒直徑為數(shù)微米(幾μm)，膜厚約為3400，該薄膜的氣敏特性測(cè)試結(jié)果如下工作溫度260℃</tables>表中除霧為Ⅰ級(jí)外，其它被測(cè)氣體濃度均為1000ppm。實(shí)例4襯底材料陶瓷基片(95%Al2O3)襯底溫度105℃淀積時(shí)間15分所摻雜質(zhì)SnO2(氧氣)流量～125ml/分Ar(載源)流量～160ml/分Ar(雜質(zhì)載氣)流量～25ml/分在此條件下所獲得的氧化鐵煙敏薄膜，分析測(cè)量表明，薄膜為多晶型α-Fe2O3，晶粒直徑為數(shù)微米(幾μm)，膜厚約為3400，成份分析結(jié)果表明，Sn的含量占0.37。該薄膜的氣敏特性測(cè)試結(jié)果如下工作溫度260℃</tables>注除煙霧為Ⅰ級(jí)外，其他被測(cè)氣體濃度均為1000ppm本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明由于采用了對(duì)薄膜制備系統(tǒng)無任何腐蝕作用的金屬有機(jī)化合物[Fe(CO)3]作為源物質(zhì)，因而提高了氧化鐵煙敏薄膜的靈敏度和選擇性。如當(dāng)該敏感薄膜接觸煙霧后，其薄膜的薄層電阻由原先純凈空氣中的阻值RA急劇下降到煙霧氣氛中的阻值Rc，在煙霧Ⅰ級(jí)的濃度下，其靈敏度RA/Rc可達(dá)52，而在1000ppm的酒精、液化石油氣、甲烷氣體和氫氣中靈敏度RA/Rc分別僅為7.4、2.7、2.7和4.0。2.本發(fā)明由于進(jìn)行了有效地?fù)诫s，提高了氧化鐵敏感薄膜的性能。a、摻雜改善了氧化鐵煙敏薄膜的重復(fù)性，如下表所示。表中樣品均為氧化鐵煙敏薄膜在空氣中的阻值，單值為MΩ，摻Zr樣品的測(cè)試溫度為280℃、摻Sn樣品的測(cè)試溫度為270℃，未摻雜樣品為260℃。b.摻雜可使溫度系數(shù)變小，更有利于實(shí)際應(yīng)用，如下表所示。c、摻雜可以提高氧化鐵煙敏薄膜的靈敏度，如下表所示。4.本發(fā)明工藝制備方法簡(jiǎn)便，無須貴金屬觸媒，源物質(zhì)價(jià)廉，所用的全部原材料均無特殊要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。權(quán)利要求1.一種制備氧化鐵煙敏薄膜的方法，其特征在于采用常壓化學(xué)氣相淀積法進(jìn)行淀積，用金屬有機(jī)化合物五羰基鐵[Fe(CO)3]作為參加化學(xué)氣相淀積反應(yīng)的源物質(zhì)，在淀積過程中可以分別進(jìn)行摻雜或非摻雜以制備α-Fe2O3煙敏薄膜淀積的工藝條件為襯底溫度80°～150℃Ar(載氣)流量源100～200ml/分雜質(zhì)25ml/分O2(氧氣)流量50～150ml/分沉積時(shí)間10～20分2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于摻雜物質(zhì)可以是Sn、Ti、Zr、Sn+Ti、Ti+Zr中的任一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于襯底采用玻璃，陶瓷和硅片不同材料，制備出非晶質(zhì)和多晶質(zhì)α-Fe2O3煙敏薄膜。全文摘要本發(fā)明涉及一種氣敏傳感
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種制備氧化鐵煙敏薄膜的方法。該方法采用金屬有機(jī)化合物五羰基鐵[Fe(CO)]文檔編號(hào)H01L49/00GK1062790SQ90110100公開日1992年7月15日申請(qǐng)日期1990年12月22日優(yōu)先權(quán)日1990年12月22日發(fā)明者彭軍,柴常春,嚴(yán)北平申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)