ZnO纳米器件在紫外线强度监测报警中的应用*

陈文会，陈江宁，王志勇，祁晓萌，贺永宁

（1.西北工业大学电子信息学院，西安710072；2.陕西脉航交通测控有限公司，西安710061；3.西安交通大学电子与信息工程学院，西安710049）

ZnO纳米器件在紫外线强度监测报警中的应用*

陈文会1*，陈江宁2，王志勇1，祁晓萌3，贺永宁3

（1.西北工业大学电子信息学院，西安710072；2.陕西脉航交通测控有限公司，西安710061；3.西安交通大学电子与信息工程学院，西安710049）

采用水热方法，在光刻好的叉指电极间实现了ZnO纳米线的生长，制备出金属-半导体-金属（MSM）ZnO纳米线紫外探测器件，对其在暗场、紫外光下的I-V特性以及开关响应特性进行了测试。以S3C6410微处理器为核心，使用嵌入式Linux操作系统平台、Qt creator应用开发环境，设计了一种基于该探测器件的紫外线强度监测报警系统，实现了在实验室、环境污染监测等方面的紫外线强度实时监测和声光报警功能，该系统具有成本低、精度高、响应迅速的优点。

ZnO纳米器件；水热法；紫外线监测；嵌入式系统

EEACC:7230Cdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.003

由于军事应用的带动作用和民用方面极高的应用价值，使紫外探测技术成为继红外与激光技术之后发展起来的又一军民两用的光电子技术［1］。

ZnO是一种具有光电特性的直接宽带隙半导体材料，它在常温下的禁带宽度是3.37 eV，与GaN的禁带宽度相似［2］，同时它的激子结合能高达60 meV，远大于ZnSe（22 meV）和GaN（25 meV）等其他宽带隙半导体。ZnO紫外传感器量子效率高、噪声低、响应速度快，在紫外区具有优异的光电特性［3］。ZnO纳米材料在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景［4］。目前在国际上，制备高性能的紫外探测器还处于研究阶段。

笔者利用水热法制备以玻璃为衬底、Ag为电极的ZnO纳米线MSM光电导型探测器件，测试器件的电学性能，然后采用该器件设计了一种嵌入式Linux紫外线强度监测报警系统。

1　紫外探测器件制备与性能测试

1.1紫外探测器件制备

实验选取玻璃作为器件的基底，根据标准的清洗步骤对玻璃衬底进行清洗。采用传统光刻工艺和lift-off方法制备出银叉指电极，用纯度为99.99% 的ZnO靶材通过射频磁控溅射的方法在已经制备了银叉指型电极的基底上制备ZnO薄膜，用于引导后续的水热法ZnO纳米线的生长。通过水热法进行ZnO纳米线阵列的生长，前驱反应液为0.025 mol/L的二水合乙酸锌与六次甲基四胺各100 mL，反应温度80℃，反应时间为3 h。实验结束后，将样片从溶液中取出，用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，置于50℃烘箱中使其充分干燥。

在实验室制备的ZnO纳米线MSM结构探测器的器件结构如图1所示。

图1　ZnO纳米线探测器结构示意图

实验中制成的器件如图2所示。

图2　在玻璃基片上制备的器件成品

器件制备好后，需要引出电极并进行封装，然后就可以进行导线外接和测试工作了。

1.2紫外探测器件电学特性测试

由上海嘉鹏ZF-8型紫外光源提供波长365 nm的紫外光作为紫外产生光源，使用Agilent B2902A双通道源表测量器件IV特性和瞬态响应并保存测量结果，测试均在室温下进行。

1.2.1紫外探测器件的I-V特性

由于ZnO探测器件会受到周围空气湿度、气体等影响，所以需要做好封装工作。首先将器件放置于暗箱中一段时间，等ZnO纳米线紫外探测器稳定后，连接测试电路，打开测试按钮，设置数字源表电压扫描范围为-40 V～40 V。在无紫外光照下和有365 nm紫外光照射下进行I-V特性的测试。

在无紫外光照条件下，测试得到器件的暗电流很小，5 V下约为5 μA，如图3所示。

作为传感器，重复性是它的一个重要的特性。在本研究中，为了检查该紫外探测传感器的重复性，我们设计了一个实验，将器件用黑盒罩住，打开紫外光源的365 nm紫外光档位，使用北师大UV-313型紫外线强度计测量暗箱中的紫外强度，待紫外强度稳定后取下黑盒，使紫外光照射器件，发现当有紫外光照射时，器件的电流迅速增大，在5 V偏压下，365 nm紫外光照射产生的光电流约为2 mA，比暗电流高了3个数量级，说明变化明显；接着调节精密数字源表使其产生-15 V～15 V的扫描电压，对同一量程重复五次测试，测试结果的I-V曲线分别用黑、红、绿、蓝、紫五种颜色表示。

图3　暗场下I-V曲线

结果发现，在同一量程重复五次测试的I-V特性曲线大致重合，说明器件重复性好。另外，从-15 V到15 V的I-V特性曲线与回程从15 V到-15 V 的I-V特性曲线也大致重合，说明器件无滞后。

1.2.2紫外探测器件的瞬态响应特性

紫外光源开启后，ZnO吸收紫外光产生大量光生电子-空穴对，电导率增加使得电流增大。关闭紫外光源后，由于光生载流子的复合，电导率减小使得器件的电流减小并恢复至暗场水平。说明ZnO纳米线紫外探测器件能够快速响应，能达到紫外报警的应用要求。紫外光响应过程如图4所示。

图4　瞬态响应曲线

1.3可见光对器件紫外探测性能的影响实验

利用上海嘉鹏ZF-8型紫外光源提供可见光，并逐渐增强可见光的强度，将ZnO紫外强度采集模块放置暗箱中倒计时3 min，倒计时过程中系统并没有报警，说明系统在可见光干扰下能正常工作。

2　系统硬件设计

系统设计采用三星公司的ARM11芯片S3C6410作为主控CPU，利用其内部的AD转换。根据ZnO纳米线紫外光传感器的特点，设计了专用信号放大和调理电路。系统硬件总体框图如图5所示。

图5　硬件总体设计框图

通过对制备的ZnO纳米紫外探测器件的测量发现:不同工艺条件下制备的ZnO阻值变化范围较大，低阻阻值变化范围约为（1.5 kΩ～20 kΩ）之间，而高阻值范围内最高阻值能达到几百兆欧左右，为了让不同器件都能工作在较好状态，分别设计了低阻和高阻ZnO紫外探测器件信号采集放大电路。

2.1低阻ZnO紫外信号采集和放大电路

对于低阻紫外探测器件的偏置电路，采用恒流偏置，可避免强辐射时因器件消耗功率过大而产生的焦耳热使探测器件失效［5］。设计的低阻ZnO紫外传感器采集和放大电路如图6所示。

图6　低阻ZnO信号采集电路

三端可调恒流源器件LM134Z提供可调电流源，为探测器件提供合适的偏置电流。根据ZnO的特性，选择了低偏置电压、高共模抑制比的单片精密通用仪表放大器INA129，并通过电压参考源REF3033和电位器R5为INA129提供稳定的输出电压参考电位。

在暗光状态下，调节R1使VIN1和VIN2相等，此时输出电压Vout=0。当检测到紫外光源后，运算放大器INA129的输出电压会从零逐渐增大，通过信号采样处理就可以得到ZnO紫外探测器件两端电压的变化值。

2.2高阻ZnO紫外信号采集电路

对于高阻ZnO探测器件，由于ZnO p型掺杂材料难以获得，无法按照类似于肖特基二极管的偏置电路设计，所以采用基本偏置电路来实现。只要适当选择电压和偏置电阻，就可以保证ZnO器件不会达到极限功率，避免了烧毁器件的可能［6］。设计的ZnO传感器信号采集电路如图7所示。

图7采用了两个ZnO传感器，这两个ZnO传感器要求具有相近的测试特性。其中一个传感器需要保持在隔离紫外光的状态，以便能够和接受紫外光照射的器件形成对比，这样可减小器件因周围环境或自身不稳定因素带来的不利影响［7］［8］。在调试过程中，需将这两个传感器件进行校准，使得在同一光强下两个输出端的电压值尽量保持一致［9-10］。

图7　高阻ZnO信号采集电路

3　系统软件设计

人机交互界面和主体程序在Qt creator平台上开发，采用C++语言编程，根据紫外线指数监测报警系统要实现的功能，设计出流程框图，如图8所示。

图8　软件设计主框图

主程序主要进行定时/计数器和A/D采集口的初始化，各子程序功能如下:①强度值采集及AD转换子程序。通过采集输出信号，利用MCU内部A/D转换并保存。②强度值计算子程序。首先根据入射紫外光强度和信号采集模块输出电压的P-V关系曲线得到Matlab拟合后的曲线，并得到拟合方程［11］。然后根据入射紫外光强度和紫外线指数之间的关系式进行转换，得到紫外指数值。最后根据采样值，通过公式［12］计算出当前的紫外指数值。③数据存储及GUI界面显示子程序。用于存储当天紫外强度数据，可随时查看。

4　系统调试和应用实验

调试贯穿着软硬件开发的全过程，硬件调试好后再调试软件，程序首先要分段、分模块调试，最后进行集成调试。系统调试完成后，把程序下载到硬件平台，再对整机系统进行测试。在测试实验中，对系统进行了紫外光检测报警测试、系统响应时间测试、响应曲线测试及干扰试验测试。测试结果表明:紫外光出现并达到设定的阈值后，实验现场能听到蜂鸣器报警声，同时红色LED警告灯闪亮；系统的平均响应时间为44.1 ms，能够满足实际应用要求。图9为系统检测到紫外光后的报警界面。

图9　系统报警界面

5　结论

用制备的ZnO纳米线紫外探测器件设计了一种紫外线强度监测报警系统，探测器件采集到的信号经过转换调理电路后，传送至人机交互界面进行实时显示，系统可以自动存储记录紫外数据，并可显示变化曲线，最后根据用户设定的阀值而进行实时声光报警。

ZnO纳米线紫外探测器件无需滤光片的辅助，可直接进行紫外线强度监测，具有成本低、精度高、响应迅速的优点，但测量稳定性有待提高。进一步研究这种新型紫外探测器件的特性，必能让它走出实验室，从而应用在环境污染监测、火焰探测及导弹紫外告警等方面。

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陈文会（1963-），男，现为西北工业大学电子信息学副教授、信号与信息处理学科硕士生导师。1986年河北工业大学精密仪器专业大学本科毕业；1995年西安理工大学测试计量技术及仪器专业硕士毕业；2006年西安交通大学电子科学与技术专业博士毕业。主要传感器信息获取处理与传输技术、智能信息处理与检测技术等。

The Application of ZnO Nanowires UV Photodetectors*

CHEN Wenhui1*，CHEN Jiangning2，WANG Zhiyong1，QIN Xiaomeng3，HE Yongning3
（1.School of Electronic and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Shaanxi Maihang Traffic Measuring&Control Ltd.Co.，Xi'an 710061，China；3.School of Electronic and Information Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

ZnO nanowires metal-semiconductor-metal（MSM）ultraviolet detectors were fabricated on glass substrate by a single-step hydrothermal reaction.We have discussed response time and responsivity.The I-V characteristic and switch response characteristic have been measured under dark field and UV light.Based on the embedded LINUX operating system and Qt Creator software platform，the UV light detecting and alarming system is designed using S3C6410 microprocessor.This system has the advantages of low cost，high precision and quick response.

ZnO nanowires device；hydrothermal method；ultraviolet detecting；embedded system

TN364.2

A

1004-1699（2016）04-0479-05

项目来源:国家自然科学基金项目（60876038，11375144）；西安交通大学基本科研业务费学科综合交叉科研项目的课题项目

2015-08-26修改日期:2016-01-17