[發明專利]一種可集成的密集納米顆粒單層膜氫氣傳感器的制備方法

有效

• 申請號: 200910028487.3
• 申請日: 2009-01-23
• 公開（公告）號: CN101482528A
• 公開（公告）日: 2009-07-15
• 發明（設計）人: 謝波;韓民;宋鳳麒;王廣厚
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;B81C1/00;B81C5/00;B81B7/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 樓高潮

一、技術領域

本發明屬于氣體傳感器和微機電器件領域，具體地說是涉及一種可集成的密集納米顆粒 單層膜氫氣傳感器的制備方法。

二、背景技術

氫氣作為一種無污染能源，已廣泛地應用于航空航天、汽車發動機、半導體制造和化工 生產企業。一般情況下空氣中氫氣含量在4％-75％時，遇明火極易產生爆炸。因此，為了安全 使用氫，研究可靠、快速響應和高靈敏度的氫氣傳感器具有十分重大的意義。目前，用于氫 含量監測的氫氣傳感器主要有電化學傳感器，金屬薄膜傳感器和半導體氧化物傳感器，其中， 以半導體氧化物傳感器居多。上述氫氣傳感器大多以塊體鈀或連續的鈀薄膜作為氫傳感材料。 當鈀接觸到氫氣后能吸收大量的氫氣并與氫氣反應形成鈀氫化物從而使電阻上升，氫氣分壓 力越大儲存在鈀中的氫含量越高，從而使得鈀材料的電阻也就越大；并且鈀與氫氣的反應是 可逆的，在鈀被加熱或者氫氣分壓降低的情況下被鈀吸收的氫氣又能解吸附，鈀的電阻會隨 氫氣的解吸附過程而下降，上述的氫氣傳感器就是通過測量鈀氫化物形成導致的電阻變化情 況來達到探測氫氣的目的。但是，氫氣與塊體鈀材料的反應需要較長時間，限制了這類氫氣 傳感器的響應速度，通常需要數分鐘的時間才能對氫氣濃度變化產生響應；另一方面，其靈敏 度也較低，難于測量低濃度的氫氣。

2001年法國Montpellier第二大學Favier和美國加州大學Penner合作發展了一種基于電 子量子隧道穿透過程的氫氣傳感機理(F.Favier，E.C.Walter，M.P.Zach，T.Benter，R.M.， Science?293，2227(2001))。他們構造了存在納米間隔的斷續鈀納米線組成的陣列，測量吸附氫 氣后鈀納米線陣列的電導變化，表明其電導與氫氣濃度之間存在單調的變化關系，因此可以 構成氫氣傳感器。鈀納米線陣列吸氫后電導的變化是由于吸氫導致鈀納米線晶格膨脹，使斷 續納米線端點間的間隔變小。由于納米線端點間未形成歐姆接觸，兩端點之間隔構成一勢壘， 電子只能在一定偏壓下在納米線間通過量子隧道穿透傳輸，而電子穿透隧道的幾率(即通過納 米間隔的電流大小)是與勢壘寬度即納米線端點間隔寬度成負的指數關系的，納米線端點間隔 變小，電子隧穿幾率就急劇增大，這就造成納米線陣列的電導隨著吸附氫氣而迅速增加。通 過測量電導的變化就可獲得氫氣濃度的變化。由于納米線陣列的電導隨納米線端點之間隔寬 度按指數關系變化，使得這種氫氣傳感器具有高的靈敏度。又由于電導是由電子的隧道穿透 貢獻的，這種傳感器具有極低的功耗。

Favier等是通過在Pd²⁺離子的水溶液中在石墨表面上的臺階處電化學沉積鈀納米線，再 將鈀納米線轉粘到氰基丙烯酸鹽粘合劑復型膜上的多步過程制備斷續鈀納米線陣列的。其制 作方法復雜，不能對所形成的納米線陣列的電導進行實時監控，難以保證其用于氫氣傳感時 的穩定性和一致性，不適于工業化規模生產。另一方面，采用這種制備方法也難以將鈀納米 線傳感單元與電學測量單元和數據處理單元集成、構成微納傳感器件，從而限制了其在微機 電器件(MEMS)領域的應用。

三、發明內容

1.發明目的

本發明的目的在于提供一種可集成的密集納米顆粒單層膜氫氣傳感器的制備方法。該方 法通過鈀納米粒子束流氣相沉積獲得納米粒子在微電極間密集排列的顆粒單層膜，通過顆粒 膜電導的變化獲得氫氣濃度的變化，通過在沉積過程中對顆粒膜電導的實時監控實現對傳感 器靈敏度和量程范圍等工作參數的控制。

2.技術方案

本方法的實現步驟是：

一種可集成的密集納米顆粒單層膜氫氣傳感器的制備方法，其制備步驟如下：

1)在高純硅片(11)表面通過熱氧化生長一層SiO₂絕緣層(12)，將此帶有絕緣層的硅 片作為基片；

2)通過光阻剝落法工藝在上述基片上制備梳狀電極對(1)、(2)；

3)將制備好的帶梳狀電極的基片(13)固定于真空沉積室(16)的襯底座(15)上，在 梳狀電極上焊接導線(10)并引出到真空沉積室(16)外，與電導測量儀器(14)的電極相 連接；