一种氢气传感器及其制备方法与流程

1.本发明主要涉及氢气传感器技术领域，具体涉及一种氢气传感器及其制备方法。


背景技术：

2.氢气是一种重要的易燃、易爆、高效的可再生新能源，空气中泄漏氢气浓度达到4.0％-74.5％时遇明火可能引起强烈爆炸。氢气在军事及民用上都有重要的应用，为了保障使用安全，氢气传感器在军事上主要用于防止氢气泄漏、失火、爆炸，以及装备中的环境监测等。民用领域的应用主要有石化精炼厂和石化生产企业，氯碱、氢气和氯气等工业气体生产企业，半导体工业，核能、发电厂等能源工厂，燃料电池技术相关企业等。军用上主要应用于航天航空助推器、燃料电池的燃料能源以及军事作业环境的环境气体浓度监测。
3.目前主要有七种类型的的氢气传感器，分别为钯(pd)或pd合金薄膜型、表面声波型、催化燃烧型、热导型、电化学型、热电薄膜型、氧化物半导体场效应晶体管型。其中所有类型的氢气的传感器都有一个重要的缺点，容易受其他气体的干扰，从而影响传感器的精度。另外现在市面上主流的氢气传感器均采用电化学、催化燃烧等方法，这些方法普遍存在寿命短、稳定性差的缺点。
4.pd合金类氢气传感器具有性能稳定、寿命长等与优点，是目前最具有应用前景的氢气传感器，而该传感器容易受到环境中其他气体的影响而降低传感器精度，以1％h2和99％n2混合气体(以下用1％h2/n2表示)以及1％h2和99％air混合气体(以下用1％h2/air表示)为例，这两种气体的传感器响应幅值相差超过了50％，这很大程度上影响了传感器在不同环境中的响应精度，即传感器的抗干扰能力很差。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抗干扰性能强的氢气传感器及其制备方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种氢气传感器，包括硅片衬底，所述硅片衬底上设有薄膜电气隔离层，所述薄膜电气隔离层上设有加热电阻、测温电阻和氢敏电阻，所述加热电阻、测温电阻和氢敏电阻均设置有引线端，所述氢敏电阻的上方设有一层有机聚合物薄膜层。
8.作为上述技术方案的进一步改进：
9.所述测温电阻和氢敏电阻均位于所述加热电阻围合形成的区域内。
10.所述加热电阻呈长方形，所述测温电阻和氢敏电阻均呈s形，位于加热电阻围合的长方形区域内。
11.所述有机聚合物薄膜层由pmma或ptfe高分子有机聚合物制成。
12.所述氢敏电阻由pd
1-x-ni
x
、pd
1-x-ag
x
、pd
1-x-cr
x
或pd
1-x-cu
x
材料制备而成。
13.所述薄膜电气隔离层为sio2薄膜电气隔离层。
14.本发明还公开了一种如上所述的氢气传感器的制备方法，包括步骤：
15.s1、对硅片衬底进行清洗；
16.s2、在硅片衬底上制备一层薄膜电气隔离层；
17.s3、在薄膜电气隔离层制备加热电阻和测温电阻；
18.s4、在薄膜电气隔离层上制备氢敏电阻；
19.s5、在整个芯片表面制备一层有机聚合物薄膜层；
20.s6、制备引线端，得到氢气传感器，其中引线端包括加热电阻引线端、测温电阻引线端和氢敏电阻引线端。
21.作为上述技术方案的进一步改进：
22.在步骤s6之后，再对氢气传感器进行性能测试。
23.在步骤s2中，sio2薄膜电气隔离层的厚度为0.5μm～5μm，制备方法为pvd、cvd或蒸镀。
24.加热电阻及测温电阻的厚度为100nm～500nm，制备方法为pvd或蒸镀；氢敏电阻厚度为50nm～200nm，制备方法为pvd或蒸镀；有机聚合物薄膜层的厚度范围为10nm～150nm，制备方法为化学浴沉积或pvd。
25.与现有技术相比，本发明的优点在于：
26.本发明通过pt加热电阻给氢气传感器芯片加热使得芯片温度提高，通过pt测温电阻来测量芯片温度，当温度达到设定值后，芯片停止加热；当芯片温度降温低于设定温度后又开始加热，最终达到平衡使得芯片温度稳定在设定值，以此来减小环境温度变化对氢敏电阻响应带来的影响，提高氢气传感器的精度。
27.本发明中的薄膜电气隔离层将硅片衬底与pt加热电阻、pt测温电阻、pd合金氢敏电阻之间进行电气隔离，避免产生漏电流，从而影响传感器精度。
28.本发明中的有机聚合物薄膜层由pmma或ptfe材料制成，由于h2分子比o2、n2等其他气体分子都小很多，h2分子能够较容易的透过pmma或ptfe薄膜，而o2、n2等其他气体分子则被阻挡在薄膜外面，从而减少h2分子以外的其他分子与pd合金氢敏电阻5接触，从而提高氢气传感器的抗干扰性能。
29.本发明的pt加热电阻将pt测温电阻和pd合金氢敏电阻包围，能有效保证芯片表面温度的均匀性，进一步避免环境温度波动对氢气传感器响应的影响。
附图说明
30.图1为本发明的氢气传感器在实施例的俯视结构图。
31.图2为本发明的氢气传感器在实施例的剖面结构图。
32.图3为本发明的氢气传感器制备方法在实施例的流程图。
33.图4为本发明的氢气传感器测试响应曲线比对图。
34.图例说明：1、硅片衬底；2、薄膜电气隔离层；3、加热电阻；4、测温电阻；5、氢敏电阻；6、有机聚合物薄膜层；7、加热电阻引线端；8、测温电阻引线端；9、氢敏电阻引线端。
具体实施方式
35.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
36.如图1和图2所示，本发明实施例的氢气传感器，包括硅片衬底1，硅片衬底1上设有
薄膜电气隔离层2，薄膜电气隔离层2上设有pt加热电阻3、pt测温电阻4和pd合金氢敏电阻5，pt加热电阻3、pt测温电阻4和pd合金氢敏电阻5均设置有引线端，分别为加热电阻引线端7、测温电阻引线端8和氢敏电阻引线端9，氢敏电阻5的上方设有一层有机聚合物薄膜层6。
37.在氢气传感器工作时，通过pt加热电阻3给氢气传感器芯片加热使得芯片温度提高，通过pt测温电阻4来测量芯片温度，当温度达到设定值后，芯片停止加热；当芯片温度降温低于设定温度后又开始加热，最终达到平衡使得芯片温度稳定在设定值，以此来减小环境温度变化对氢敏电阻5响应带来的影响，提高氢气传感器的精度。
38.其中薄膜电气隔离层2为sio2电气隔离层，其用于将硅片衬底1与pt加热电阻3、pt测温电阻4、pd合金氢敏电阻5之间进行电气隔离，避免产生漏电流，从而影响传感器精度。
39.其中有机聚合物薄膜层6由pmma或ptfe材料制成，由于h2分子比o2、n2等其他气体分子都小很多，h2分子能够较容易的透过pmma或ptfe薄膜，而o2、n2等其他气体分子则被阻挡在薄膜外面，从而减少h2分子以外的其他分子与pd合金氢敏电阻5接触，从而提高氢气传感器的抗干扰性能。
40.在一具体实施例中，pt加热电阻3呈长方形，pt测温电阻4和pd合金氢敏电阻5均呈s形，位于加热电阻3围合的长方形区域内。pt加热电阻3将pt测温电阻4和pd合金氢敏电阻5包围，能有效保证芯片表面温度的均匀性，进一步避免环境温度波动对氢气传感器响应的影响。当然，在此并不对上述pt加热电阻3、pt测温电阻4和pd合金氢敏电阻5的形状进行限定，在其它实施例中，也可以采取其它形状。
41.如图3所示，本发明实施例还公开了一种如上所述的氢气传感器的制备方法，包括步骤：
42.s1、对硅片衬底1进行清洗；
43.s2、在硅片衬底1上制备一层薄膜电气隔离层2；
44.s3、在薄膜电气隔离层2上制备加热电阻3和测温电阻4；
45.s4、在薄膜电气隔离层2上制备氢敏电阻5；
46.s5、在整个芯片表面制备一层有机聚合物薄膜层6；
47.s6、制备引线端，得到氢气传感器，其中引线端包括加热电阻引线端7、测温电阻引线端8和氢敏电阻引线端9。
48.上述制备方法工艺流程简单，制备得到的氢气传感器具有性能稳定、寿命长、成本低、抗干扰性能好等特点。
49.下面结合一完整的具体实施例来对本发明做进一步的详细说明：
50.s1、准备一片n型4英寸硅片衬底1，并使用丙酮和酒精分别超声清洗10～15min；
51.s2、然后在硅片衬底1上制备一层sio2薄膜电气隔离层2，作为pd合金氢敏电阻5、pt测温电阻4和pt加热电阻3等与硅片衬底1之间的电气隔离层；其中sio2薄膜电气隔离层2的厚度为0.5μm～5μm，制备方法为pvd、cvd、蒸镀等；如采用离子束溅射镀膜工艺，溅射镀膜工艺为电压550v、电流50ma，制备的sio2薄膜厚度为1μm；
52.s3、通过lift-off工艺制备pt加热电阻3以及pt测温电阻4；制备方法为离子束溅射镀膜，溅射镀膜工艺为电压700v、电流70ma，制备的pt薄膜厚度为100nm；其中pt加热电阻3及pt测温电阻4的厚度可在100nm～500nm之间选择；
53.s4、通过lift-off工艺制备pd合金氢敏电阻5；pd合金氢敏电阻5材料为pd
1-x-ni
x
、
pd
1-x-ag
x
、pd
1-x-cr
x
、pd
1-x-cu
x
等，制备方法为离子束溅射镀膜，溅射镀膜工艺为电压650v、电流60ma，制备的pd
0.9
ni
0.1
薄膜厚度为100nm，其中厚度在50nm～200nm之间选择；
54.s5、然后在整个芯片表面制备有机聚合物层；该聚合物是pmma、ptfe等，制备方法为离子束溅射镀膜工艺，工艺为电压450v、电流45ma，制备的薄膜厚度为15nm，厚度范围可在10nm～150nm之间选择；
55.s6、通过lift-off工艺制备引线端，包括pt加热电阻引线端7、pt测温电阻引线端8、pd合金氢敏电阻引线端9；引线端材料为au、al等，制备方法为离子束溅射镀膜，溅射镀膜工艺为电压750v、电流75ma，制备的al薄膜厚度为700nm，厚度可在100nm～900nm之间选择。
56.最后，对制备的氢气传感器进行性能测试，测试气体为1％h2和99％n2的混合气体(1％h2/n2)以及1％h2和99％空气的混合气体(1％h2/air)，得到图4所示的氢气传感器测试响应曲线，两种气体下的响应幅度基本保持一致，说明氢气传感器的抗干扰性能较好。
57.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。