一種基于ZnO納米線陣列的環(huán)境空氣PM2.5顆粒物的質(zhì)量傳感器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體地說是一種通過檢測ZnO納米線振動(dòng)頻率的改變而檢測環(huán)境空氣PM2.5顆粒物質(zhì)量的器件和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]“霧霾”是當(dāng)下人們急切關(guān)注的熱點(diǎn)之一，因?yàn)殪F霾天氣不僅使空氣的能見度降低影響人們的正常出行，而且對人們的身體健康造成不可忽視的傷害。其中霧屬于自然天氣現(xiàn)象，總體是無毒無害的。但是霾主要是懸浮在空氣中的煙和灰塵等物質(zhì)，通過氣體能進(jìn)入并會(huì)粘附在人體下呼吸道和肺葉中，對人體的健康造成傷害，尤其是直徑小于或等于2.5微米的細(xì)顆粒物(即PM2.5)。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有著重要的影響，極大地影響著人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量。因此，對于環(huán)境空氣PM2.5的監(jiān)測與治理此時(shí)已刻不容緩。
[0003]目前，對于環(huán)境氣體中顆粒物濃度的監(jiān)測方法主要有:稱重法、β射線法、微量振蕩天平法等。
[0004]稱重法是通過有一定切割特征的環(huán)境空氣采樣器，以恒定速率抽取一定量體積的環(huán)境空氣，使環(huán)境空氣中的ΡΜ2.5留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)濾膜采樣前后的質(zhì)量之差和采樣體積，即可得出ΡΜ2.5的濃度。但稱重法采樣時(shí)間較長，需要手工操作的步驟較多，成本高，自動(dòng)化程度很低且不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測。
[0005]β射線法是當(dāng)環(huán)境空氣經(jīng)過濾膜時(shí)，空氣中的顆粒物留在濾膜上，用β射線通過沉積著顆粒物的濾膜，測定β射線能量的衰減量便可計(jì)算出顆粒物的濃度。β射線法雖然測量的動(dòng)態(tài)范圍比較寬，且測量結(jié)果只與顆粒物的質(zhì)量有關(guān)，但是β射線輻射源的存放易發(fā)生輻射泄漏問題，這對于測量人員的人身健康安全大大不利。
[0006]微量振蕩天平法是是基于錐形元件振蕩微量天平原理，在振蕩空心錐形管上放置可更換的濾膜，讓環(huán)境空氣中的顆粒物沉積在濾膜上，通過測定濾膜的振蕩頻率變化從而計(jì)算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)采樣流量等計(jì)算出顆粒物的濃度。微量振蕩天平法因其可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測在近來的顆粒物監(jiān)測方面的儀器中越來越多被采用，例如Thermo Scientific TEOM 1405。但是該類監(jiān)測設(shè)備體積較大，且受溫度濕度干擾較大，限制了設(shè)備檢測的環(huán)境條件和空間范圍。而且目前我國在自主研發(fā)的針對各種常規(guī)污染物全面監(jiān)測分析一體化的集成系統(tǒng)還未出現(xiàn)，所以具更小體積、更方便、更精確的微顆粒測量器件是目前各個(gè)此方面專家和科研人士現(xiàn)在的追求目標(biāo)。
[0007]因此，目前急切地需要一種不受環(huán)境條件影響的集體積小、方便、精確、實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)、健康于一體的對環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)質(zhì)量傳感器件的出現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境空氣精確實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種質(zhì)量傳感器件，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境空氣PM2.5顆粒物質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確、高效、低成本、低傷害的監(jiān)測。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于ZnO納米線陣列的環(huán)境空氣PM2.5顆粒物的質(zhì)量傳感器件，當(dāng)環(huán)境氣體流過納米線陣列時(shí)，PM2.5顆粒物附著在納米線上，通過檢測ZnO納米線振動(dòng)頻率的改變，由ZnO納米線振動(dòng)頻率和PM2.5顆粒物質(zhì)量之間的定量關(guān)系，從而檢測PM2.5顆粒物的質(zhì)量。
[0010]一種基于ZnO納米線陣列的環(huán)境空氣PM2.5顆粒物的質(zhì)量傳感器件，在硅襯底的背面有一個(gè)凹槽，凹槽底部與硅襯底正面之間的厚度為20微米?50微米之間，硅襯底正面刻有兩級臺(tái)階的長方形通風(fēng)孔，在上面一級臺(tái)階兩條較長邊的側(cè)面和表面是電極，ZnO納米線是側(cè)向生長在上面一級臺(tái)階的電極靠近通風(fēng)孔的兩個(gè)側(cè)面上，ZnO納米線懸空于通風(fēng)孔上方，且ZnO納米線的兩端連接在兩個(gè)電極上。
[0011]所述的兩級臺(tái)階的長方形通風(fēng)孔的長度為10微米，上面一級臺(tái)階的寬度為4 μπι，下面一級臺(tái)階的寬度為3 μπι。
[0012]所述的電極上側(cè)向生長有ZnO納米線陣列采用側(cè)向生長方法固定在兩個(gè)電極之間，ZnO納米線的平均直徑約為150nm，ZnO納米線的長度一致，為4 μπι，因此ZnO納米線陣列的共振頻率帶寬較窄，提高了微小顆粒物質(zhì)量探測的準(zhǔn)確性。
[0013]所述的電極的金屬組分層從下到上依次為TiAlNiAu，電極的總厚度為200nm，各個(gè)金屬組分層均為50nm。
[0014]所述的ZnO納米線的表面浸潤性由紫外光照射實(shí)現(xiàn)親水-疏水間的可逆轉(zhuǎn)換，對其施加紫外照射增大了 ZnO納米線對顆粒物的吸附性，并且當(dāng)PM2.5顆粒質(zhì)量探測結(jié)束后，撤除紫外光照，并往復(fù)通入清潔氣體，將吸附在納米線上的微顆粒清除，實(shí)現(xiàn)器件的自清潔。
[0015]所述的一種基于ZnO納米線陣列的環(huán)境空氣PM2.5顆粒物的質(zhì)量傳感器件的制備方法，具體制備步驟如下:
[0016]SI首先制備襯底背面的凹槽，采用激光打孔、溶液腐蝕或ICP的方法將硅襯底背面刻出一個(gè)長和寬為10微米的凹槽；
[0017]S2將SI中背部刻出凹槽的硅襯底清洗干凈吹干后背面用蠟保護(hù)起來；
[0018]S3將S2中的硅襯底前烘之后，正面旋涂正光刻膠，經(jīng)過后烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜后將正光刻膠在硅襯底正面、其背部凹槽上方部位光刻出長10 μπκ寬4 μπι的凹槽；
[0019]S4將S3中光刻膠刻出凹槽的硅襯底放入KOH溶液中，在硅襯底正面沒有被光刻膠保護(hù)的位置腐蝕出規(guī)則的深1.5 μπι的長方形凹槽，再用丙酮洗去光刻膠；
[0020]S5將S4中的硅襯底再經(jīng)過一次光刻和溶液腐蝕，在S4中硅襯底正面刻出的長方形凹槽的中央刻出一個(gè)長10 μπκ寬3 μπι的通孔，此時(shí)具有兩級臺(tái)階的通風(fēng)孔制備完成；
[0021]S6將S5中刻有背部凹槽和兩級臺(tái)階通風(fēng)孔的硅襯底再經(jīng)過一次光刻，在通風(fēng)孔的一側(cè)電極位置光刻出電極制備位置的凹槽；
[0022]S7將S6中刻有電極位置凹槽的娃襯底放入磁控派射設(shè)備中，在通風(fēng)孔一側(cè)第一級臺(tái)階的側(cè)壁和表面部位依次濺射T1、Al、N1、Au層，各個(gè)金屬層厚度均為200nm，再用丙酮洗去光刻膠，此時(shí)通風(fēng)孔一側(cè)的電極制備完成；
[0023]S8將S7中通風(fēng)孔一側(cè)的電極制備完成后的硅襯底再經(jīng)過一次光刻，在電極側(cè)壁旁邊靠近通風(fēng)孔的位置光刻出ZnO種子層位置的凹槽；
[0024]S9將S8中光刻后的硅襯底放入磁控濺射，在電極側(cè)壁表面濺射200nm厚的ZnO薄膜，此時(shí)電極上的ZnO種子層制備完成；
[0025]SlO將等摩爾比例的六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2.6Η20)和六次甲基四胺(HMTA)溶于去離子水中，攪拌均勻，配制成25mmol/L的溶液作為前體溶液；
[0026]Sll取15mL前體溶液放入水熱反應(yīng)釜中，再將S9中電極上表面被覆蓋的的硅襯底放入水熱反應(yīng)釜中，在80°C下反應(yīng)生長ZnO納米線，持續(xù)8h ；
[0027]S12將生長有ZnO納米線的襯底取出，用去離子水反復(fù)沖洗，在氮?dú)庵辛栏桑?br>[0028]S13將S12中沖洗干凈的長有ZnO納米線的襯底再經(jīng)過一次光刻，在通風(fēng)孔另外一偵牝即沒有生長有ZnO納米線一側(cè)，光刻出電極位置出的凹槽；
[0029]S14將S13中光刻后的襯底放入磁控濺射儀中，在通風(fēng)孔另外一側(cè)第一級臺(tái)階的側(cè)壁和表面部位依次濺射T1、Al、N1、Au層，各個(gè)金屬層厚度均為200nm，再用丙酮洗去光刻膠，此時(shí)通風(fēng)孔另外一側(cè)的電極制備完成，此時(shí)ZnO納米線陣列固定在兩個(gè)電極之間，就制成了 PM2.5顆粒物質(zhì)量傳感器件的主體部分。
[0030]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn):
[0031]本發(fā)明利用了納米線材料的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，不需要通過通入大量氣體求質(zhì)量積分的方法，即可實(shí)現(xiàn)對小質(zhì)量顆粒的高靈敏度的探測和快速響應(yīng)，同時(shí)，本發(fā)明具備自清潔功能，增大了其使用壽命，且具有體積小，輕巧便攜的特點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合大量埋布于傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測結(jié)點(diǎn)，進(jìn)行空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。
【附圖說明】
[0032]圖1本發(fā)明的平面圖
[0033]圖2本發(fā)明的剖面圖
[0034]圖3本發(fā)明器件的制備流程
[0035]圖4本發(fā)明的基本工作原理示意圖；
[0036]圖5Zn0納米線陣列的SEM圖像；
[0037]圖中一硅襯底 2—環(huán)境氣體 3—通風(fēng)槽 4一電極5 — ZnO納米線 6—PM2.5顆粒物
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下實(shí)施例結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明為一種基于ZnO納米線陣列的環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)的質(zhì)量傳感器件，具體地說是一種通過檢測ZnO納米線振動(dòng)頻率的改變而檢測PM2.5顆粒質(zhì)量的方法。
[0040]本發(fā)明公開的一種基于ZnO納米線陣列的環(huán)境空氣PM2.5顆粒物的質(zhì)量傳感器件的具體結(jié)構(gòu)如下:
[0041]Si襯底I的背面有一個(gè)比較大的凹槽，凹槽底部與Si襯底I正面之間的厚度為20微米，Si襯底I正面刻有兩級臺(tái)階的長方形通風(fēng)孔3，用于環(huán)境氣體2的流通，上面一級臺(tái)階的寬度為4 μπι，下面一級臺(tái)階的寬度為3 μ m，在上面一級臺(tái)階兩條較長邊的側(cè)面和表面是電極，ZnO納米線5是側(cè)向生長在上面一級臺(tái)階的電極靠近通風(fēng)孔的兩個(gè)側(cè)面上，ZnO納米線5懸空于通風(fēng)槽上方，且ZnO納米線5的兩端連接在兩個(gè)電極上。
[0042]所述的電極組分從下到上依次為TiAlNiAu，其厚度為200nm各個(gè)組分均為50nm。
[0043]所述的PM2.5顆粒物質(zhì)量傳感器件的制備，首先為了使襯底和電極更好的接觸，并且適合高頻電信號，選擇Si作為本發(fā)明器件的襯底，光刻出兩級臺(tái)階的通風(fēng)孔，將通風(fēng)孔上面一級臺(tái)階的側(cè)面和表面制作電極后，再側(cè)向生長ZnO納米線。其具體制備方法如下:
[0044](I)首先制備襯底背面的凹槽，可以采用激光打孔、溶液腐蝕或ICP的方法將Si襯底背面刻出一個(gè)長和寬約10微米的凹槽。如附圖3(a)所示。
[0045](2)將(I)中背部刻出凹槽的Si襯底清洗干凈吹干后背面用蠟保護(hù)起來。
[0046](3)將(2)中的Si襯底前烘之后，正面旋涂正光刻膠，如附圖3(b)所示，經(jīng)過后烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜后將正光刻膠在Si襯底正面、其背部凹槽上方部位光刻出長10 μπκ寬4 μπι的凹槽，如附圖3(c)所示。
[0047](4)將⑶中光刻膠刻出凹槽的Si襯底放入KOH溶液中，在Si襯底正面沒有被光刻膠保護(hù)的位置腐蝕出規(guī)則的深1.5 μπι的長方形凹槽，再用丙酮洗去光刻膠，如附圖3(d)所示。
[0048](5)將(4)中的Si襯底再經(jīng)過一次光刻和溶液腐蝕，在(4)中Si襯底正面刻出的長方形凹槽的中央刻出一個(gè)長10 μπκ寬3 μπι的通孔，此時(shí)具有兩級臺(tái)階的通風(fēng)孔制備完成，如附圖3(e)、附圖3(f)所示。
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