[发明专利]一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属于气体传感器和微机电器件领域，具体地说是涉及一种可集成的密集纳米颗粒 单层膜氢气传感器的制备方法。

二、背景技术

氢气作为一种无污染能源，已广泛地应用于航空航天、汽车发动机、半导体制造和化工 生产企业。一般情况下空气中氢气含量在4％-75％时，遇明火极易产生爆炸。因此，为了安全 使用氢，研究可靠、快速响应和高灵敏度的氢气传感器具有十分重大的意义。目前，用于氢 含量监测的氢气传感器主要有电化学传感器，金属薄膜传感器和半导体氧化物传感器，其中， 以半导体氧化物传感器居多。上述氢气传感器大多以块体钯或连续的钯薄膜作为氢传感材料。 当钯接触到氢气后能吸收大量的氢气并与氢气反应形成钯氢化物从而使电阻上升，氢气分压 力越大储存在钯中的氢含量越高，从而使得钯材料的电阻也就越大；并且钯与氢气的反应是 可逆的，在钯被加热或者氢气分压降低的情况下被钯吸收的氢气又能解吸附，钯的电阻会随 氢气的解吸附过程而下降，上述的氢气传感器就是通过测量钯氢化物形成导致的电阻变化情 况来达到探测氢气的目的。但是，氢气与块体钯材料的反应需要较长时间，限制了这类氢气 传感器的响应速度，通常需要数分钟的时间才能对氢气浓度变化产生响应；另一方面，其灵敏 度也较低，难于测量低浓度的氢气。

2001年法国Montpellier第二大学Favier和美国加州大学Penner合作发展了一种基于电 子量子隧道穿透过程的氢气传感机理(F.Favier，E.C.Walter，M.P.Zach，T.Benter，R.M.， Science 293，2227(2001))。他们构造了存在纳米间隔的断续钯纳米线组成的阵列，测量吸附氢 气后钯纳米线阵列的电导变化，表明其电导与氢气浓度之间存在单调的变化关系，因此可以 构成氢气传感器。钯纳米线阵列吸氢后电导的变化是由于吸氢导致钯纳米线晶格膨胀，使断 续纳米线端点间的间隔变小。由于纳米线端点间未形成欧姆接触，两端点之间隔构成一势垒， 电子只能在一定偏压下在纳米线间通过量子隧道穿透传输，而电子穿透隧道的几率(即通过纳 米间隔的电流大小)是与势垒宽度即纳米线端点间隔宽度成负的指数关系的，纳米线端点间隔 变小，电子隧穿几率就急剧增大，这就造成纳米线阵列的电导随着吸附氢气而迅速增加。通 过测量电导的变化就可获得氢气浓度的变化。由于纳米线阵列的电导随纳米线端点之间隔宽 度按指数关系变化，使得这种氢气传感器具有高的灵敏度。又由于电导是由电子的隧道穿透 贡献的，这种传感器具有极低的功耗。

Favier等是通过在Pd²⁺离子的水溶液中在石墨表面上的台阶处电化学沉积钯纳米线，再 将钯纳米线转粘到氰基丙烯酸盐粘合剂复型膜上的多步过程制备断续钯纳米线阵列的。其制 作方法复杂，不能对所形成的纳米线阵列的电导进行实时监控，难以保证其用于氢气传感时 的稳定性和一致性，不适于工业化规模生产。另一方面，采用这种制备方法也难以将钯纳米 线传感单元与电学测量单元和数据处理单元集成、构成微纳传感器件，从而限制了其在微机 电器件(MEMS)领域的应用。

三、发明内容

1.发明目的

本发明的目的在于提供一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器的制备方法。该方 法通过钯纳米粒子束流气相沉积获得纳米粒子在微电极间密集排列的颗粒单层膜，通过颗粒 膜电导的变化获得氢气浓度的变化，通过在沉积过程中对颗粒膜电导的实时监控实现对传感 器灵敏度和量程范围等工作参数的控制。

2.技术方案

本方法的实现步骤是：

一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器的制备方法，其制备步骤如下：

1)在高纯硅片(11)表面通过热氧化生长一层SiO₂绝缘层(12)，将此带有绝缘层的硅 片作为基片；

2)通过光阻剥落法工艺在上述基片上制备梳状电极对(1)、(2)；

3)将制备好的带梳状电极的基片(13)固定于真空沉积室(16)的衬底座(15)上，在 梳状电极上焊接导线(10)并引出到真空沉积室(16)外，与电导测量仪器(14)的电极相 连接；