一種多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氫氣傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氣作為一種高燃燒效率的清潔能源，已經(jīng)在航空航天、車輛和船舶等的助推系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用；同時(shí)，氫氣作為一種重要的還原性氣體和載氣，在化工、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也發(fā)揮著極其重要的作用。但是，氫氣是一種易燃易爆的危險(xiǎn)氣體，在空氣中的含量位于4-75%之間時(shí)，遇到明火即爆炸。氫氣分子直徑非常小且無色、無味，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用的過程中易泄漏且不易察覺，從而帶來非常大的安全隱患，威脅人身財(cái)產(chǎn)安全。因此，發(fā)展用于檢測環(huán)境中氫氣濃度和氫氣泄漏的高靈敏度的氫氣傳感器，已經(jīng)成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題，高性能的氫氣傳感器的研制目前也成為了傳感器研宄領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。
[0003]目前的氫氣傳感器主要是以鈀或者鈀合金材料為主的電阻型氫氣傳感器以及以肖特基二極管、MOS電容和MOS晶體管等為主的半導(dǎo)體型氫氣傳感器。相比于電阻型氫氣傳感器，半導(dǎo)體型氫氣傳感器普遍具有響應(yīng)速度快、檢測氫氣濃度下限低和靈敏度大等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]氫氣傳感器的敏感芯體是氫氣傳感器的核心組件，主要用來檢測氫氣濃度。氫氣傳感器的芯體通常包括三層:基片、介質(zhì)層、氫氣敏感層。利用氫氣敏感層與基片之間的電勢差的變化來檢測氫氣。基片使用半導(dǎo)體材料，通常使用硅片，氫氣敏感層通常使用金屬鈀及其合金。目前，介質(zhì)層的研宄主要集中在二氧化硅等氧化物材料中，這類材料作為介質(zhì)層存在氫氣傳感器靈敏度低，檢測氫氣濃度的下限高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是，提供一種多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體，以解決現(xiàn)有技術(shù)中氫氣傳感器靈敏度低，檢測氫氣濃度的下限高的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供所述多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體，依次包括基片、第一介質(zhì)層和氫氣敏感層，在第一介質(zhì)層與氫氣敏感層之間增加聚西佛堿薄膜為第二介質(zhì)層。
[0007]進(jìn)一步地，所述聚西佛堿薄膜厚度為3?15 nm。
[0008]進(jìn)一步地，所述第一介質(zhì)層厚度為2?10 nm。
[0009]進(jìn)一步地，所述基片為N型硅片。
[0010]進(jìn)一步地，所述N型娃片的電阻率為0.1?20 Ω.Cm。
[0011]進(jìn)一步地，所述第一介質(zhì)層為氧化鈦、氧化鋁或氧化硅薄膜。
[0012]進(jìn)一步地，所述氫氣敏感層為鈀或鈀合金。
[0013]進(jìn)一步地，所述鈀合金優(yōu)選鈀鉻合金。
[0014]在基片上制備二氧化鈦薄膜的方法包括磁控濺射、離子束濺射、脈沖激光沉積，通過控制濺射時(shí)的功率和時(shí)間，將二氧化鈦薄膜的厚度控制在2?10 nm之間。制備聚西佛堿薄膜使用溶液加工的方法為:將聚西佛堿溶于溶劑，再用滴涂、噴涂、旋涂中的一種或幾種方式，通過控制聚西佛堿溶液的濃度、涂覆速率和涂覆次數(shù)，將聚西佛堿薄膜的厚度控制在3?15 nm之間。
[0015]在聚西佛堿薄膜上制備鈀鉻合金氫氣敏感層薄膜的方法包括磁控濺射、離子束濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)，通過控制濺射或者蒸發(fā)時(shí)的功率和時(shí)間，將鈀鉻合金薄膜的厚度控制在15?100 nm之間。鈀鉻合金氫氣敏感層采用光刻或者硬質(zhì)掩膜板的方法得到不同的形狀。
[0016]本肖特基二極管氫氣傳感器的工作原理為:氫氣吸附于氫氣敏感層的表面后，在其催化作用下，氫氣分子分解產(chǎn)生氫原子，氫原子擴(kuò)散通過金屬膜，達(dá)到氫氣敏感層-介質(zhì)層界面處。在界面電荷的吸引下，氫原子被吸附在金屬-介質(zhì)層的界面處，形成以偶極層，該偶極層將改變氫氣敏感層的功函數(shù)，導(dǎo)致肖特基二極管的勢皇降低，肖特基二極管的1-V特性發(fā)送漂移。因此，在恒定電流下測試，輸出電壓的漂移即為傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)信號(hào)，且隨著氫氣濃度的加大，輸出電壓的漂移值也響應(yīng)增大。
[0017]上述氫氣敏感層通常選用含鈀的金屬，純金屬鈀吸收氫氣過程中會(huì)變脆乃至破裂，一般選用鈀合金作為氫氣敏感層。
[0018]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明增加聚西佛堿薄膜作為第二介質(zhì)層，在2000 ppm的氫氣濃度下，該多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體的靈敏度大于56 mV，能夠檢測得氫氣濃度下限為5 ppm，這些特性表明本發(fā)明在氫氣傳感領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0019]圖1本發(fā)明提供的多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1所示，所述的一種多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體包括基片1，第一介質(zhì)層2，第二介質(zhì)層3，氫氣敏感層4。其中，基片I選用N型硅片，N型硅片表面設(shè)置二氧化鈦薄膜制成的第一介質(zhì)層2，第一介質(zhì)層2表面設(shè)置聚西佛堿薄膜制成的第二介質(zhì)層3，第二介質(zhì)層3表面設(shè)置鈀鉻合金薄膜制成氫氣敏感層4。
[0021]上述芯體的制備方法依次包括如下步驟:依次用分析純度的丙酮、無水乙醇超聲清洗電阻率為0.1?20 Ω - cm的磷摻雜N型硅基片5 min ;再用質(zhì)量百分比濃度10 %的HF溶液腐蝕掉N型硅片表面的自然氧化層，用去離子水沖洗N型硅基片表面，然后用氮?dú)鈽尠压杵蹈桑辉倮秒x子束濺射的方法在N型硅片上制備3 nm厚度的二氧化鈦薄膜作為第一介質(zhì)層2 ;再將聚西佛堿溶解于N，N- 二甲基乙酰胺，配成質(zhì)量百分比濃度2%的溶液；然后在第一介質(zhì)層2表面以800 rpm的轉(zhuǎn)速旋涂10 S，然后在100 °C的真空烘箱中烘干，得到聚西佛堿薄膜，所得薄膜厚度約為7 nm，形成第二介質(zhì)層3 ;再利用離子束濺射在聚西佛堿薄膜表面制備60 nm厚度的鈀鉻合金(其中，17.5 wt%的鉻，82.5 wt%的鈀)作為氫氣敏感層4。
[0022]將上述制備的氫氣傳感器芯體制成氫氣傳感器進(jìn)行測試，得到靈敏度為56.4 mV，檢測得氫氣濃度下限為5 ppm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體，依次包括基片(I)、第一介質(zhì)層(2)和氫氣敏感層(4)，其特征在于:在第一介質(zhì)層(2)與氫氣敏感層(4)之間增加聚西佛堿薄膜為第二介質(zhì)層(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的芯體，其特征在于:所述聚西佛堿薄膜厚度為3?15nm。
3.如權(quán)利要求1所述的芯體，其特征在于:所述第一介質(zhì)層(2)厚度為2?10nm。
4.如權(quán)利要求1所述的芯體，其特征在于:所述基片(I)為N型硅片。
5.如權(quán)利要求4所述的芯體，其特征在于:所述N型硅片的電阻率為0.1?20 Ω.cmo
6.如權(quán)利要求1所述的芯體，其特征在于:所述第一介質(zhì)層(2)為氧化鈦、氧化鋁或氧化硅薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的芯體，其特征在于:所述氫氣敏感層(4)為鈀或鈀合金。
8.如權(quán)利要求7所述的芯體，其特征在于:所述鈀合金優(yōu)選鈀鉻合金。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及氫氣傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體。所述多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體，依次包括基片、第一介質(zhì)層和氫氣敏感層，在第一介質(zhì)層與氫氣敏感層之間增加聚西佛堿薄膜為第二介質(zhì)層。將上述芯體制成氫氣傳感器，在2000 ppm的氫氣濃度下，該多層膜肖特基二極管氫氣傳感器芯體的靈敏度大于56 mV，能夠檢測得氫氣濃度下限為5 ppm，這些特性表明本實(shí)用新型在氫氣傳感領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】G01N27-60
【公開號(hào)】CN204287106
【申請?zhí)枴緾N201420651439
【發(fā)明人】陳浩, 謝貴久, 景濤, 曹勇全, 陳偉, 龔星, 曹勇飛, 易航
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年11月4日