氫氣傳感器芯體用介質材料、氫氣傳感器芯體及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器技術領域，尤其涉及一種氫氣傳感器芯體用介質材料、氫氣傳感器芯體及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]氫氣用途廣泛，不僅在航空航天、車輛和船舶等的助推系統中得到了廣泛應用，同時作為一種重要的還原性氣體和載氣，在化工、電子、醫療等領域也發揮著極其重要的作用。氫氣無色、無味、無臭、透明，在生產、儲存、運輸和使用的過程中易泄漏且不易察覺，在空氣中的含量位于4-75%之間時，遇明火即爆炸。因此，用于檢測環境中氫氣濃度的氫氣傳感器越來越受到人們的關注和重視。
[0003]目前市場上的氫氣傳感器產品種類較少，且以電化學型居多，但該類型傳感器因檢測下限高、測試精度差、和壽命短，一直飽受詬病。近年來薄膜型氫氣傳感器發展迅速，檢測下限、測試精度、響應時間和使用壽命都得到了大幅提升。目前的薄膜氫氣傳感器主要是以金屬鈀或者鈀合金材料為主的電阻型氫氣傳感器為主。但是，性能優異的薄膜電阻型傳感器也只能檢測到1000 ppm以上的氫氣濃度，雖能較準確地檢測環境中的氫氣濃度，但無法在氫氣泄露的初始階段(即環境中極低濃度的氫氣時)及時報警，避免事故發生或減少損失。
[0004]相比于電阻型氫氣傳感器，M0S電容薄膜氫氣傳感器以其檢測氫氣濃度下限更低，且響應速度更快的優點，已開始成為本研究領域的關注點。已知的M0S電容薄膜氫氣傳感器中，能夠檢測到的氫氣濃度下限達幾十ppm，是一種理想的氫氣檢漏傳感器。氫氣傳感器的芯體是氫氣傳感器的核心組件，一般包括基片、介質層和敏感層。目前，基片及敏感層的研究已相對成熟，介質層的選擇，將直接影響電容薄膜氫氣傳感器能檢測氫氣濃度的下限。由于介質層是如何影響電容薄膜氫氣傳感器檢測氫氣濃度靈敏度的機理尚不明確，因此，介質層的探索成為了研制高性能的電容薄膜氫氣傳感器的關鍵點之一。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種檢測氫氣濃度的下限低、響應時間和脫氫時間較短、成本低廉、制備工藝簡單的氫氣傳感器芯體及其制備方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
一種氫氣傳感器芯體用介質材料，所述氫氣傳感器芯體用介質材料為氧化鋅。
[0007]作為一個總的發明構思，本發明還提供一種氫氣傳感器芯體，依次包括基片、第一介質層和氫氣敏感層，所述第一介質層為氧化鋅薄膜層。
[0008]上述的氫氣傳感器芯體，優選的，所述氧化鋅薄膜層的厚度為5nm?200nmo
[0009]上述的氫氣傳感器芯體，優選的，還包括設于第一介質層和基片之間的第二介質層，所述第二介質層包括氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化鈦或氧化鈦薄膜層。[00?0]上述的氫氣傳感器芯體，優選的，所述第二介質層的厚度為5nm?200nmo
[0011]上述的氫氣傳感器芯體，優選的，所述基片包括為N型硅片。
[0012]上述的氫氣傳感器芯體，優選的，所述基片的電阻率為0.001 Ω.cm?30 Ω.cm。
[0013]上述的氫氣傳感器芯體，優選的，所述氫氣敏感層包括金屬鈀薄膜層或鈀合金薄膜層。
[0014]作為一個總的發明構思，本發明還提供一種氫氣傳感器芯體的制備方法，包括以下步驟:
(1)先清洗基片表面，再去除基片表面的自然氧化層；
(2)在基片表面制備氧化鋅薄膜層；
(3)在氧化鋅薄膜層上制備氫氣敏感層。
[0015]上述的一種氫氣傳感器芯體的制備方法，優選的，所述步驟(1)和步驟(2)之間，還包括在經過步驟(1)處理后的基片表面制備第二介質層，所述第二介質層包括氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化鈦或氧化鈦薄膜層。
[0016]上述的一種氫氣傳感器芯體的制備方法，優選的，所述步驟(2)中，制備氧化鋅薄膜層的方法包括離子束濺、磁控濺射或脈沖激光沉積。
[0017]上述的一種氫氣傳感器芯體的制備方法，優選的，制備第二介質層的方法包括熱氧化、磁控濺射、離子束濺射或脈沖激光沉積。
[0018]上述的一種氫氣傳感器芯體的制備方法，優選的，所述步驟(3)中，制備氫氣敏感層的方法包括磁控濺射、離子束濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發或電子束蒸發。
[0019]作為一個總的發明構思，本發明還提供一種上述的氫氣傳感器芯體或上述的氫氣傳感器芯體的制備方法所制備的氫氣傳感器芯體在M0S電容氫氣傳感器中的應用。
[°02°]本發明的氫氣傳感器芯體所制備的M0S電容薄膜氫氣傳感器的工作原理為:氫氣吸附于鈀或鈀合金氫氣敏感層的表面后，在其催化作用下，氫氣分子分解形成活性氫原子，氫原子擴散通過金屬膜，達到金屬-介質層界面處。在界面電荷的吸引下，氫原子被吸附在金屬-介質層的界面處，形成以偶極層，該偶極層將改變氫氣敏感層的功函數，導致氫氣敏感層和氧化鋅薄膜間的勢皇高度發生變化，最終導致M0S電容的電容值發生變化，變現出其容-電壓曲線(即C-V曲線)發生漂移。且隨著氫氣濃度的加大，輸出電容-電壓曲線的漂移值也相應增加。
[0021]與現有技術相比，本發明的優點在于:
1、本發明的氫氣傳感器芯體，將氧化鋅薄膜作為第一介質層，氧化鋅的帶隙寬度為3.37 eV，屬于典型的直接寬帶隙氧化物材料，其激子束縛能也比較大。濺射沉積的寬帶隙氧化鋅薄膜化學性質穩定，較大的帶隙有利于降低漏電流，是一種電學性能和光學性能優異的功能氧化物材料。這些均表明氧化鋅薄膜作為M0S電容薄膜氫氣傳感器的介質層具有潛在的應用價值。
[0022]2、本發明的氫氣傳感器芯體，將氧化鋅薄膜作為第一介質層，經過反復的試驗驗證，相比傳統的氧化物作為介質層而言，本發明的氫氣傳感器芯體制備的M0S電容薄膜氫氣傳感器能夠檢測到的氫氣濃度下限非常低，達600ppb，能及早發現微弱氫氣的泄露，起到提前報警的作用；響應時間和脫氫時間小于60s，能實時監測環境中氫氣濃度的變化。表明其在低濃度的氫氣檢漏領域具有非常高的應用價值。
[0023]3、本發明的氫氣傳感器芯體，在氧化鋅薄膜和基片之間還設有第二介質層，第二介質層可以是氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化鈦或氧化鈦薄膜。通過控制第二介質層的厚度，能夠相應調整電容值，使得在氫氣氣氛下，電容值發生“漂移”的偏壓值在0V附近。且所制備的M0S電容薄膜氫氣傳感器能夠檢測到的氫氣濃度下限仍能達600ppb。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例1的氫氣傳感器芯體的C-V特性測試結果。
[0025]圖2為本發明實施例2的氫氣傳感器芯體的剖面圖。
[0026]圖3為本發明實施例2的氫氣傳感器芯體的制備流程圖。
[0027]圖4為本發明實施例2的氫氣傳感器芯體的C-V特性測試結果。
【具體實施方式】
[0028]以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但并不因此而限制本發明的保護范圍。
[0029]實施例1:
本實施例的氫氣傳感器芯體，依次包括基片、第一介質層和氫氣敏感層，第一介質層為氧化鋅薄膜層。
[0030]本實施例中，氧化鋅薄膜層的厚度為60nm。
[0031]本實施例中，基片為磷摻雜N型硅片。
[0032]本實施例中，該磷摻雜N型硅片的電阻率為3 Ω.αιι?6Ω.cm。
[0033]本實施例中，氫氣敏感層為鈀鎳合金薄膜層，其中，鎳占13.6被％，鈀占86.4wt%0
[0034]本實施例中，該鈀鎳合金薄膜層的厚度為45nm。
[0035]本實施例的氫氣傳感器芯體的制備方法，包括以下步驟:
(1)前處理
(1.1)用分析純度的丙酮、無水乙醇和去離子水依次分別超聲清洗磷摻雜N型硅基片5min，按上述流程循環清洗3遍；
(1.2)再用質量百分比濃度為1%的冊溶液腐蝕掉經步驟(1.1)清洗后的磷摻雜N型硅基片表面的自然氧化層，腐蝕時間為30 s；
(1.3)最后用去離子水沖洗經步驟(1.2)腐蝕后的磷摻雜N型硅基片表面5min，然后用氮氣吹干。
[0036](2)制備氧化鋅薄膜層
利用離子束濺射的方法在經步驟(1)處理后的磷摻雜N型硅基片上制備厚度為60 nm的氧化鋅薄膜作為第一介質層。離子束濺射的工藝過程為:采用氧化鋅靶材作為濺射源，以Ar氣體作為起輝和濺射氣體，離子能量650 eV，離子束流60 mA，放電