一种基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器及其制备方法

1.本发明涉及半导体低温传感及制备方法，特别涉及基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器及其制备方法。


背景技术：

2.低温传感技术广泛应用于航天、国防等领域。随着低温在军事、航空、能源、医学、生物等应用的不断扩大，对低温温度传感器的需求成为研制新型温度传感器的动力。但低温领域的特殊性以及相关技术的复杂性增加了人们对低温的获得和准确测量的难度。负温度系数温度(ntc)传感器是一种随温度升高电阻值下降的敏感元器件，器件发热少，寿命长，测量范围大，具有温度测量、温度控制和温度补偿等功能，得到了大量研究并被投入市场使用。现有的负温度系数低温传感器使用温区一般在-50～300℃范围内。随着进一步的研究，ntc温度传感器仍然朝着更低的测温范围的发展，但由于工艺的困难和环境的复杂性，能在更低温度条件下正常工作并投入市场应用的超低温温度传感产品有限。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明提供一种基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器及其制备方法，能够适应低温传感环境，提高zno微米棒温度传感性能。
4.技术方案：本发明提供的一种高灵敏的低温氧化锌微米棒传感器，包括石英片衬底、zno微米棒、金属电极、银导线和环氧树脂封装材料；方法包括如下步骤：采用化学气相沉积法制备zno微米棒；通过退火改善zno微米棒温度灵敏度；将设计良好的zno微米棒固定于石英片衬底上；在zno微米棒两端融接铟粒；把银导线分别融接进两端铟粒内；采用环氧树脂将zno微米棒、铟粒部分全部封装，构成完整的器件；通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
5.进一步地，zno微米棒阵列，直径为5～25um，长度为0.1～0.5cm。
6.进一步地，石英片衬底厚度为0.5mm～1mm，尺寸为1cm
×
1cm。
7.进一步地，zno温度传感单元两端电极是铟电极。
8.进一步地，耐低温封装材料为环氧树脂胶，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬。
9.进一步地，通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
10.一种高灵敏的低温氧化锌微米棒传感器及其制备方法，包括如下步骤：
11.(1)将纯度均为99.97～99.99％的zno粉末和1500目石墨粉末按照质量比0.9∶1.1或1.1∶0.9～1∶1混合研磨(zno粉末与石墨粉末性质与混合质量比直接影响结晶质量)，填入陶瓷舟内；将硅片衬底切成3cm
×
3.4cm～3.1cm
×
3.5cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底，盖于装有粉末的陶瓷舟上，放入长度30cm～31cm、直径3cm～3.1cm的石英管；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，并按10∶1的流
速通入氩气和氧气，取出样品；
12.(2)将步骤(1)中硅片衬底上生长好的zno微米棒阵列，放入小管式炉内，进行高温退火，反应后，取出样品；
13.(3)在制备好的zno微米棒阵列中择一固定于石英片衬底上，在两端融接上铟粒和银线；
14.(4)使用耐低温材料封装步骤(3)所得器件。
15.(5)将步骤(4)最后形成基于zno氧化锌微米棒的低温传感器进行变温电学性质测量，变温范围为90k～300k，变温步长为9.9～10.1k。
16.进一步地，如权利要求7所述的高灵敏低温氧化锌微米棒传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温反应的温度为1050℃，所述的氩气流量为130～180sccm和氧气流量为13～18sccm，所述的反应时间为1.9～2.1h，所述硅片为p型硅片。
17.进一步地，如权利要求7所述的高灵敏低温氧化锌微米棒传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的退火条件是空气，所述的高温为700～800℃，所述的反应时间为1.5～2小时。
18.进一步地，如权利要求7所述的高灵敏低温氧化锌微米棒传感器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的耐低温封装材料为特制耐低温环氧树脂胶，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬。
19.本发明基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器的制备方法，优选如下：
20.(1)将纯度均为99.97～99.99％的zno粉末和石墨粉末按比例混合研磨，填入陶瓷舟内；将硅片衬底依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，吹干，作为生长基底，盖于装有粉末的陶瓷舟上，放入长度30cm～31cm、直径3cm～3.1cm的石英管；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，通入氩气和氧气，取出样品；
21.(2)将步骤(1)中硅片衬底上生长好的zno微米棒阵列，进行高温退火，反应后，取出样品；
22.(3)在制备好的zno微米棒阵列中择一固定于石英片衬底上，在两端融接上铟粒和银线；
23.(4)使用耐低温材料封装步骤(3)所得器件；
24.(5)将步骤(4)最后形成基于zno氧化锌微米棒的低温传感器进行变温电学性质测量，变温范围为90k～300k，变温步长为9.9～10.1k。
25.步骤(1)中，所述高温反应的温度为1050℃，氩气流量为130～180sccm，氧气流量为13～18sccm。
26.有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：
27.本发明制备的zno微米棒低温传感器件符合良好的欧姆特性，适应超低温环境，低温下温度灵敏度为5.3
×
108ω/k，具有工艺简单、灵敏度高、测温范围广、响应速度快、可实时可视化监测的优点。
附图说明
28.图1是zno微米棒低温传感器件金相显微镜示意图；
29.图2是zno微米棒低温传感器件变温iv曲线；
30.图3a是zno微米棒低温传感器件的电流温度响应曲线；b是zno微米棒低温传感器件的电阻温度响应曲线；
31.图4为本发明结构示意图。
具体实施方式
32.如图1所示是本发明的结构示意图，一种基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器，包括石英片衬底、zno微米棒、金属电极、银导线和环氧树脂封装材料；制备方法包括如下步骤：采用化学气相沉积法制备zno微米棒；通过退火调节zno微米棒的缺陷情况，改善zno微米棒温度灵敏度；将设计良好的zno微米棒固定于石英片衬底上；在zno微米棒两端融接铟粒；把银导线分别融接进两端铟粒内；采用环氧树脂将zno微米棒、铟粒部分全部封装，构成完整的器件。通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
33.zno微米棒直径为5～25um，长度为0.1～0.5cm；衬底材料为石英片，厚度为0.5mm～1mm，尺寸为1cm
×
1cm；zno微米棒两端电极是铟电极，并从铟电极引出银线；使用的耐低温封装材料为耐低温环氧树脂胶，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬。
34.相应的，一种基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
35.(1)将纯度均为99.97～99.99％的zno粉末和1500目石墨粉末按照质量比0.9∶1.1或1.1∶0.9～1∶1混合研磨(zno粉末与石墨粉末性质与混合质量比直接影响结晶质量)混合研磨，填入陶瓷舟内；将p型硅片衬底切成3cm
×
3.4cm～3.1cm
×
3.5cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底，盖于装有粉末的陶瓷舟上，放入长度30cm～31cm、直径3cm～3.1cm的石英管；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，时间为1.9～2.1h，并按10∶1的流速通入流量为130～180sccm的氩气和流量为13～18sccm氧气，取出样品；
36.(2)将硅片衬底上生长好的zno微米棒阵列，放入小管式炉内，在空气环境下进行700～800度高温退火，反应1.5～2小时后，取出样品；
37.(3)在制备好的zno微米棒阵列中择一固定于石英片衬底上，在两端融接上铟粒和银线；
38.(4)使用耐低温环氧树脂材料，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬，封装步骤(3)所得器件。
39.(5)采用电源表将步骤(4)最后形成基于zno氧化锌微米棒的低温传感器进行变温电学性质测量，变温操作采用instec控温系统、instec低温台及液氮，变温范围为90k～300k，变温步长为9.9～10.1k。将测得的电学特性曲线作为温标曲线输入电路系统。
40.(6)将步骤(5)通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
41.实施例1：
42.第一步，将纯度均为99.97～99.99％的zno粉末和1500目石墨粉末按照质量比1∶1混合研磨，填入陶瓷舟内；将p型硅片衬底切成3cm
×
3.4cm～3.1cm
×
3.5cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底，盖于装有粉末的陶瓷舟上，放
入长度30cm～31cm、直径3cm～3.1cm的石英管；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，时间为2h，并按10∶1的流速通入流量为130～180sccm的氩气和流量为13～18sccm氧气，取出样品。
43.第二步，将硅片衬底上生长好的zno微米棒阵列，放入小管式炉内，在空气环境下进行800度高温退火，反应2小时后，取出样品。
44.第三步，在制备好的zno微米棒阵列中择一固定于石英片衬底上，在两端融接上铟粒和银线。
45.第四步，使用耐低温环氧树脂材料，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬，封装所得器件。
46.第五步，采用电源表将形成基于zno氧化锌微米棒的低温传感器进行变温电学性质测量，变温操作采用instec控温系统、instec低温台及液氮，变温范围为90k～300k，变温步长为10k。将测得的电学特性曲线作为温标曲线输入电路系统。
47.第六步，通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
48.通过以上步骤得到了如图1所示的一种基于氧化锌微米棒高灵敏低温传感器及其制备方法，zno微米棒的直径约在9um，长度约为0.3cm。在90k时温度灵敏度为5.3
×
108ω/k，对比退火前的氧化锌微米棒所制备的低温传感器提高了一个数量级。
49.实施例2：
50.第一步，将纯度均为99.97～99.99％的zno粉末和1500目石墨粉末按照质量比1∶1混合研磨，填入陶瓷舟内；将p型硅片衬底切成3cm
×
3.4cm～3.1cm
×
3.5cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底，盖于装有粉末的陶瓷舟上，放入长度30cm～31cm、直径3cm～3.1cm的石英管；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，时间为2h，并按10∶1的流速通入流量为130～180sccm的氩气和流量为13～18sccm氧气，取出样品。
51.第二步，将硅片衬底上生长好的zno微米棒阵列，放入小管式炉内，在空气环境下进行800度高温退火，反应2小时后，取出样品。
52.第三步，在制备好的zno微米棒阵列中择一固定于石英片衬底上，在两端融接上铟粒和银线。
53.第四步，使用耐低温环氧树脂材料，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬，封装所得器件。
54.第五步，采用电源表将形成基于zno氧化锌微米棒的低温传感器进行变温电学性质测量，变温操作采用instec控温系统、instec低温台及液氮，变温范围为90k～300k，变温步长为10k。将测得的电学特性曲线作为温标曲线输入电路系统。
55.第六步，通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
56.图2为实施例2电流-电压曲线，具有良好的欧姆线性。
57.实施例3：
58.第一步，将纯度均为99.97～99.99％的zno粉末和1500目石墨粉末按照质量比1∶1混合研磨，填入陶瓷舟内；将p型硅片衬底切成3cm
×
3.4cm～3.1cm
×
3.5cm，依次进行丙酮、
无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底，盖于装有粉末的陶瓷舟上，放入长度30cm～31cm、直径3cm～3.1cm的石英管；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，时间为2h，并按10∶1的流速通入流量为130～180sccm的氩气和流量为13～18sccm氧气，取出样品。
59.第二步，将硅片衬底上生长好的zno微米棒阵列，放入小管式炉内，在空气环境下进行800度高温退火，反应2小时后，取出样品。
60.第三步，在制备好的zno微米棒阵列中择一固定于石英片衬底上，在两端融接上铟粒和银线。
61.第四步，使用耐低温环氧树脂材料，包含硅氧烷树脂、二甲基轮环丙醇、酚醛固酮替芬，封装所得器件。
62.第五步，采用电源表将形成基于zno氧化锌微米棒的低温传感器进行变温电学性质测量，变温操作采用instec控温系统、instec低温台及液氮，变温范围为90k～300k，变温步长为10k。将测得的电学特性曲线作为温标曲线输入电路系统。
63.第六步，通过导线与系统电路连接，信号接收系统通过无线发射装置在电脑端将电阻信号以可视化的温度信号输出。
64.图3a为实施例3温度-电流标准曲线图，温度与电流的曲线的拟合度为0.98，具有很好的准确性。
65.图3b为实施例3温度-电阻标准曲线图，温度与电流的曲线的拟合度为0.99，具有很好的准确性。