[發明專利]一種場效應管氫氣傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202011464478.1
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112666229A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 劉歡;李華曜;姚巍;龍文博;胡志響;盧思航;田枝來
• 申請（專利權）人: 深圳華中科技大學研究院;華中科技大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

本發明公開了一種場效應管氫氣傳感器及其制備方法，屬于氣體傳感器領域。主要特點是將氫氣敏感薄膜與場效應晶體管進行集成，利用場效應管將氫氣敏感薄膜與氫氣作用發生的物理化學變化轉化為電信號，放大實現對低濃度氫氣的檢測。本發明的氫氣傳感器具有功耗低、靈敏度高和易于集成的特點。

技術領域

本發明屬于氣體傳感器領域，更具體地，涉及一種場效應管氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術

氫能是一種清潔能源，但當氫氣在空氣中的體積濃度為4.0％～75.6％之間時，遇火源將發生爆炸。為了保障氫能源的安全生產、運輸和使用，迫切需要高性能氫氣傳感器，實現對氫氣的實時檢測與動態監測。而由于氫氣的易爆性和泄露的隱蔽性，需要氫氣傳感器具有低溫工作、低濃度檢測、選擇性高的特點。

在公開號為CN105424768A的中國發明專利說明書中公開了一種電容薄膜氫氣傳感器，該傳感器由n型硅襯底、介質層和氫氣敏感層構成。氫氣的引入會導致該傳感器的電容發生改變，電容-電壓曲線發生漂移，以此漂移程度來檢測氫氣的濃度，該器件的制備工藝簡單，具有較長的壽命，可以檢測較低的濃度，但是采集信號的要求較高，不易集成。在公開號為CN110161019A的中國發明專利說明書中公開了一種室溫高靈敏氫氣傳感器，該傳感器由鈀摻雜的三氧化鎢、石墨烯和硅串聯而成，當鈀摻雜的三氧化鎢暴露于氫氣時，其透射率將立即降低，而石墨烯/硅異質結光電探測器迅速響應透射率的變化，通過檢測光電流的變化從而檢測氫氣的濃度，該傳感器對0.1％～5％體積濃度的氫氣有較好的響應，響應速度快，但是由于鈀摻雜的三氧化鎢在氫氣撤去后的光電流恢復較慢，導致其恢復速度較慢，而且基線可能存在較大漂移，穩定性有待提升。在公開號為CN107561117A的中國發明專利說明書公開了一種基于熱導原理的氫氣傳感器，該傳感器由防護裝置、上下透氣板、電加熱裝置、敏感元件、支撐結構組成，可安裝于核電站安全殼事故區內，是一種針對高溫、高壓、高水蒸氣、高輻射環境應用的氫氣傳感器，該氫氣傳感器具有較好的穩定性，但是由于其基于熱導原理，依賴加熱裝置，導致功耗較高，在低功耗需求領域有待改進。

另一方面，場效應管型(FET)氣體傳感器型具有獨特的電流調制效應和放大效應，尤其適于低濃度氣體的探測。由于采用硅平面工藝制作，有著易于集成和智能化的優點。為了提高FET型傳感器對氫氣的靈敏度和降低響應/恢復時間，選擇對氫氣敏感的Pd/Pt等貴金屬材料對柵極進行敏化。但該類型傳感器仍然存在恢復時間長、靈敏度較低、高濃度檢測分辨率低、成本高的問題，同時對氫氣的選擇性亟待突破。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明的目的在于提供一種低功耗、高靈敏、易集成的氫氣傳感器及其制備方法，解決現有氫氣傳感器功耗高、靈敏度較低、集成難的問題，可以用于滿足清潔能源領域對特定環境的氫氣檢測需求。

為實現上述目的，本發明提供了一種場效應管氫氣傳感器，其包括場效應管和氫敏薄膜，場效應管的柵極與氫敏薄膜的一端相連，形成串聯結構，相連處的接觸點作為浮柵FG，氫敏薄膜的另一端作為控制柵CG，控制柵CG加載固定電壓，場效應管的源極S接地，漏極D加載固定電壓，浮柵FG材質為金屬。

進一步的，工作時，氫敏薄膜暴露在氫氣氛圍中，其電阻發生改變，串聯結構的分壓發生改變，使得場效應管的浮柵FG電壓發生改變，從而改變漏極和源極之間溝道的電流，實現傳感功能。

進一步的，工作時，氫敏薄膜控制柵CG所加載的固定電壓使得場效應管浮柵FG工作在亞閾值區，保證浮柵FG電壓小于開啟電壓300mV以內，浮柵FG上電壓50mV～250mV的改變帶來溝道電流10～1000倍的改變。

進一步的，工作時，利用氫敏薄膜的分壓改變場效應管柵極的電壓，在沒有電流通過傳感器的情況下檢測氣體。

進一步的，金屬材質的浮柵FG與氫敏薄膜的敏感材料接觸為歐姆接觸。