一种Pd基可变电容型氢气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Pd基可变电容型氢气传感器及其制备方法。在掺杂单晶Si基片上热氧化生长SiO2层，在SiO2层中开有贯穿SiO2层的沉积孔，在沉积孔内沉积可动电极Pd基材料；在SiO2层的上表面开有与沉积孔连通的通气槽，静止电极导电平板键合于SiO2层上。在氢气存在的条件下，传感器内的Pd基可动电极吸收氢气发生可逆体积膨胀，使动/静电极间距缩短，电容增大，从而实现对氢气浓度的监控。本发明专利技术提供的传感器的沉积孔具有横向限制作用，使Pd基可动电极的体积膨胀累加到高度方向，增大了传感响应，有效缩短了传感器的响应时间。同时，传感器采用标准Si基微加工工艺制作，成本和功耗较低，可批量生产，具有广阔市场前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体传感
，具体涉及一种Pd基可变电容型氢气传感器及其制备方法。
技术介绍
氢气是重要的工业原料，广泛应用于化工、电子、冶金、食品、航空航天等工业及科研领域。尤其是在环境污染、能源危机等问题日益严重的今天，对氢气等可再生清洁能源的开发和利用变得尤为迫切。近年来，以光解水制氢、氢燃料电池为代表的氢能源开发、利用技术取得了长足进步，氢燃料电池驱动的汽车与便携装置也已面世。然而，氢传感技术的发展则相对落后，大大阻碍了氢能源的普及。氢气传感器的主要技术要求为：高灵敏度、短响应时间、高选择性、高稳定性、小型化、低功耗以及低成本。目前市面上的氢气传感器有电化学型、催化燃烧型、金属氧化物电阻型以及热传导型四大类。这些传感器有一个共同的缺陷——选择性差，对一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇等常见气体也有较强响应，因此传感器容易误报。金属钯（Pd）是应用最为广泛的氢催化剂，对氢气具有天然的选择性，是目前氢传感研究的热点材料。Pd遇到氢气时会将氢分子拆分为氢原子，并吸收部分氢原子引发电阻率增加和体积膨胀。在室温和一个大气压下，当氢气浓度小于1%时，Pd与H结合形成Pd-H固溶体，其电阻率最大增量为5%，体积最大增量为0.3%。当氢气浓度为1～2%时，Pd-H固溶体相逐步转变为氢化物相，电阻率最大增量为70%，而体积增量高达10.4%。此后，由于相变已经完成，氢气浓度进一步增加，其电阻率和体积基本不变。调节温度可以调控发生固溶体→氢化物相变所需氢气浓度及相变过程。目前Pd基氢气传感器主要有三类。其一是Pd基电阻型氢气传感器，该类传感器通过监测Pd基材料的电阻变化探测氢气浓度。这类传感器的响应时间通常大于60s，无法满足氢气泄露探测的要求。其二是Pd基纳米间隙型氢气传感器，这类传感器的敏感材料为含有纳米间隙的Pd基材料。遇氢气后，Pd基材料的体积膨胀使原有间隙变小甚至闭合，器件电阻随之降低，从而探测氢气。由于吸氢膨胀过程极为迅速，因此这类传感器响应时间通常小于10s。但是由于纳米间隙不稳定，随着探测次数的增多，传感器性能衰减较快。其三是Pd基栅极金属-氧化物-半导体（MOS）电容型氢气传感器，这类传感器依靠融入Pd的氢原子在Pd基栅极和氧化物界面处形成的电偶极子改变MOS电容器的电容值以探测氢气。这类传感器测试精度高，测量范围为15ppm～1%，但是制作工艺复杂、成本较高。H2SCAN公司所售产品单价在2000美元左右，通常只用在高端领域。氢能源的蓬勃发展噬需大量高性能、低成本、低功耗的便携式氢气传感器以保障用氢安全。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术存在的不足，提供一种选择性好、性能稳定、低成本、低功耗的Pd基可变电容型氢气传感器及其制备方法。实现本专利技术目的的技术方案是提供一种Pd基可变电容型氢气传感器，其结构为：在掺杂单晶Si基片上热氧化生长SiO2层，在SiO2层中开有贯穿SiO2层的沉积孔，在沉积孔内沉积可动电极Pd基材料；在SiO2层的上表面开有与沉积孔连通的通气槽，静止电极导电平板键合于SiO2层上；所述的掺杂单晶Si基片的电阻率为10-3～102Ω·cm；SiO2层的厚度为0.5～1.5微米；所述通气槽呈网格状分布，槽深为0.1～0.5微米；所述Pd基材料为纯金属Pd或Pd合金，沉积的可动电极Pd基材料的高度为SiO2层厚的50%～90%。本专利技术技术方案还包括一种Pd基可变电容型氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：1、采用热氧化方法在电阻率为10-3～102Ω·cm的掺杂单晶Si基片表面生长一层0.5～1.5微米厚的SiO2；2、先采用光刻和刻蚀工艺，在热氧化生长的SiO2上制作深度为0.1～0.5微米的网格状通气槽，再采用光刻和刻蚀工艺在热氧化生长的SiO2上制作贯穿SiO2层的沉积孔；或先采用光刻和刻蚀工艺在热氧化生长的SiO2上制作贯穿SiO2层的沉积孔，再采用光刻和刻蚀工艺在热氧化生长的SiO2上制作深度为0.1～0.5微米的网格状通气槽；3、在沉积孔内沉积Pd基材料作为可变电容氢气传感器的可动电极，所述的Pd基材料为纯金属Pd或其合金；Pd基材料高度介于SiO2层厚的50%～90%；4、先将制作有Pd基材料可动电极的掺杂单晶Si基片上键合导电平板材料，导电平板材料作为可变电容氢气传感器的静止电极，再使用切片工具将同一单晶Si基片上制作的传感器分离；或先使用切片工具将制作有Pd基材料可动电极的掺杂单晶Si基片分离，再在分离得到的单晶Si基片上分别键合导电平板材料；5、焊接电极引线，得到一种Pd基可变电容型氢气传感器。本专利技术技术方案中，所述的Pd基材料沉积方法为电镀沉积或掩膜遮蔽溅射沉积；所述的导电平板材料，选自电阻率为10-3～102Ω·cm的掺杂单晶Si片、不锈钢片、铜片或铝片中的一种。本专利技术依据的原理是：传感器沉积孔内的Pd基材料和与导电平板材料分别作为可动电极和静止电极构成了一个可变电容型氢气传感器。当环境中有氢气出现时，Pd基材料会吸收氢气并发生可逆的体积膨胀。由于沉积孔的限制作用，Pd基可动电极无法横向膨胀，其体积增量全部累加到沉积孔的高度方向，使得Pd基可动电极与静止电极之间的间距缩短，传感器电容随之增大。Pd基可动电极的体积随外界氢气浓度单调递增，监控传感器电容便可探测外界氢气浓度。本专利技术提供的传感器，当氢气出现时Pd基可动电极吸收氢气发生可逆体积膨胀，使得可动电极与静止电极之间的间距缩短，传感器电容增加，实现对氢气浓度的监控。由于Pd吸氢膨胀过程极为迅速，传感器的典型响应时间小于10秒。此外，由于沉积孔的限制作用，Pd基可动电极无法横向膨胀，其体积增量全部累加到孔的高度方向，增大了传感器的响应，吸氢前后电容变化可达10倍以上。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、由于Pd吸氢膨胀过程极为迅速，传感器响应时间可小于10s，能够有效保障用氢安全。2、由于沉积孔的限制作用，Pd基材料在三个维度的体积增量全部累加到高度方向，增大了传感器响应。3、金属Pd对氢气具有天然的选择性且性能稳定，因此本传感器选择性好且在高温下依然具有稳定的性能。4、本传感器采用标准半导体工艺制作，材料和工艺成本低且适于批量生产，因此传感器成本较低，适合推广使用。5、本传感器在待机状态下没有漏电流、功耗较低，适于无线传感网络、便携式气体传感等需要低功耗传感器的应用领域。附图说明图1为本专利技术提供的Pd基可变电容型氢气传感的透视三维结构示意图；图2为本专利技术提供的一种Pd基可变电容型氢气传感器的工作原理示意图。图3为本专利技术实施例1提供的制作有传感器芯片的掺杂单晶Si基片与另一片作为对电极的掺杂单晶硅片进行键合时的三维结构示意图；图中：1、作为基底的掺杂单晶Si基片；2、热氧化生长的SiO2；3、通气槽；4、沉积孔；5、作为可动电极的Pd基材料；6、作为静止电极的导电平板材料；7、单晶Si基片上制作的传感器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步阐述。实施例1：参见附图1，它是本专利技术提供的一种Pd基可变电容型氢气传感器。该传感器主要部件包括：电阻率介于10-3～102Ω·cm的掺杂单晶Si基片1，热氧化生长的SiO2层2，在SiO2层上制作通气槽3，在SiO2层上制作的贯穿SiO2层的沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Pd基可变电容型氢气传感器，其特征在于它的结构为：在掺杂单晶Si基片（1）上热氧化生长SiO2层（2），在SiO2层中开有贯穿SiO2层的沉积孔（4），在沉积孔内沉积可动电极Pd基材料（5）；在SiO2层的上表面开有与沉积孔（4）连通的通气槽（3），静止电极导电平板（6）键合于SiO2层上；所述的掺杂单晶Si基片（1）的电阻率为10‑3～102Ω·cm；SiO2层（2）的厚度为0.5～1.5微米；所述通气槽（3）呈网格状分布，槽深为0.1～0.5微米；所述Pd基材料（5）为纯金属Pd或Pd合金，沉积的可动电极Pd基材料的高度为SiO2层厚的50%～90%。

【技术特征摘要】
1.一种Pd基可变电容型氢气传感器，其特征在于它的结构为：在掺杂单晶Si基片（1）上热氧化生长SiO2层（2），在SiO2层中开有贯穿SiO2层的沉积孔（4），在沉积孔内沉积可动电极Pd基材料（5）；在SiO2层的上表面开有与沉积孔（4）连通的通气槽（3），静止电极导电平板（6）键合于SiO2层上；所述的掺杂单晶Si基片（1）的电阻率为10-3～102Ω·cm；SiO2层（2）的厚度为0.5～1.5微米；所述通气槽（3）呈网格状分布，槽深为0.1～0.5微米；所述Pd基材料（5）为纯金属Pd或Pd合金，沉积的可动电极Pd基材料的高度为SiO2层厚的50%～90%。2.根据权利要求1所述的一种Pd基可变电容型氢气传感器，其特征在于：静止电极导电平板的材料，选自电阻率为10-3～102Ω·cm的掺杂单晶Si片、不锈钢片、铜片或铝片中的一种。3.一种Pd基可变电容型氢气传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）采用热氧化方法在电阻率为10-3～102Ω·cm的掺杂单晶Si基片表面生长一层0.5～1.5微米厚的SiO2；（2）先采用光刻和刻蚀工艺，在热氧化生长的SiO2上制作深度为0.1～0.5微米的网格状通气槽，再采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵蒙，高炬，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32