氢气传感器芯体用介质材料、氢气传感器芯体及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种氢气传感器芯体用介质材料，还涉及一种氢气传感器芯体及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]氢气用途广泛，不仅在航空航天、车辆和船舶等的助推系统中得到了广泛应用，同时作为一种重要的还原性气体和载气，在化工、电子、医疗等领域也发挥着极其重要的作用。氢气无色、无味、无臭、透明，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏且不易察觉，在空气中的含量位于4-75%之间时，遇明火即爆炸。因此，用于检测环境中氢气浓度的氢气传感器越来越受到人们的关注和重视。
[0003]目前市场上的氢气传感器产品种类较少，且以电化学型居多，但该类型传感器因检测下限高、测试精度差、使用寿命短，一直饱受诟病。近年来薄膜型氢气传感器发展迅速，检测下限、测试精度、响应时间和使用寿命都得到了大幅提升。目前的薄膜氢气传感器主要是以金属钯或者钯合金材料为主的电阻型薄膜氢气传感器为主。但是，性能优异的电阻型薄膜传感器也只能检测到1000 ppm以上的氢气浓度，虽能较准确地检测环境中的氢气浓度，但无法在氢气泄露的初始阶段(即环境中极低浓度的氢气时)及时报警，避免事故发生或减少损失。
[0004]相比于电阻型薄膜氢气传感器，M0S电容氢气传感器普遍具有检测氢气浓度下限低、响应速度快等优点，是一种理想的氢气检漏传感器。目前，绝大部分关于M0S电容氢气传感器中介质层的研究都局限于氧化物材料中，采用普通氧化物作为介质层的M0S电容氢气传感器检测氢气浓度的下限一般只能到几十ppm，且氢气检测灵敏度较低。并且氧化物材料中的氧空位、间隙氧、金属离子空位以及间隙金属离子等缺陷会在一定程度上降低材料本身的长期稳定性和长期可靠性。增加特殊材料与氧化物一起作为介质层的M0S电容氢气传感器检测氢气浓度虽可达ppb级别，但制备复杂，成本较高。因此，亟待开发高性价比的M0S电容氢气传感器介质层材料。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种检测氢气浓度的下限低、响应时间和脱氢时间短、高稳定性、成本低廉、制备工艺简单的氢气传感器芯体及其制备方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种氢气传感器芯体用介质材料，所述介质材料为非晶碳。
[0007]上述的氢气传感器芯体用介质材料，优选的，所述非晶碳包括本征非晶碳或N掺杂非晶碳。
[0008]上述的氢气传感器芯体用介质材料，优选的，当所述氢气传感器芯体用介质材料为N掺杂非晶碳时，N在N掺杂非晶碳中的原子百分含量< 15%。
[0009]作为一个总的发明构思，本发明还提供一种氢气传感器芯体，依次包括基片、介质层和氢气敏感层，所述介质层由上述的氢气传感器芯体用介质材料形成。
[0010]上述的氢气传感器芯体，优选的，所述介质层的厚度为2nm?300nm。
[0011]上述的氢气传感器芯体，优选的，所述基片包括N型硅基片或P型硅基片。
[0012]上述的氢气传感器芯体，优选的，所述基片的电阻率为0.001 Ω.αιι?30 Ω ?cm0
[0013]上述的氢气传感器芯体，优选的，所述氢气敏感层包括金属钯薄膜或钯合金薄膜。
[0014]上述的氢气传感器芯体，优选的，所述氢气敏感层的厚度为2nm?300nm。
[0015]作为一个总的发明构思，本发明还提供一种氢气传感器芯体的制备方法，包括以下步骤:
(1)先清洗基片表面，再去除基片表面的自然氧化层；
(2)在经过步骤(1)处理后的基片表面制备非晶碳薄膜；
(3)在非晶碳薄膜表面上制备氢气敏感层。
[0016]上述的氢气传感器芯体的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，制备非晶碳薄膜的方法包括离子束溅射或磁控溅射。
[0017]上述的氢气传感器芯体的制备方法，优选的，所述非晶碳薄膜为本征非晶碳薄膜时，所述离子束溅射的工艺为:采用石墨靶材作为溅射源，以Ar气体作为起辉和溅射气体，尚子能量450eV?650eV，尚子束流40 mA?60mA，放电电压35V?55V，加速电压60V?lOOVo
[0018]上述的氢气传感器芯体的制备方法，优选的，所述非晶碳薄膜为本征非晶碳薄膜时，所述磁控溅射的工艺为:采用石墨靶材作为溅射源，溅射方式为直流溅射，以Ar气体作为起辉和溅射气体，气体压强0.8Pa?2Pa，溅射功率50W?110W。
[0019]上述的氢气传感器芯体的制备方法，优选的，所述非晶碳薄膜为N掺杂非晶碳薄膜时，所述离子束溅射的工艺为:采用石墨靶材作为溅射源，以队和Ar的混合气体作为起辉和溅射气体，队和Ar的分压比为1: 2?1: 6，离子能量450eV?650eV，离子束流40mA?60mA，放电电压35V?55V，加速电压60V?100V。
[0020]上述的氢气传感器芯体的制备方法，优选的，所述非晶碳薄膜为N掺杂非晶碳薄膜时，所述磁控溅射的工艺为:采用石墨靶材作为溅射源，溅射方式为直流溅射，以队和Ar的混合气体作为起辉和溅射气体，队和Ar的分压比为1: 2?1: 6，气体压强0.8Pa?2Pa，溅射功率50W?110W。
[0021]上述的氢气传感器芯体的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，制备氢气敏感层的方法包括磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光沉积、热蒸发或电子束蒸发。
[0022]作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的氢气传感器芯体或上述的氢气传感器芯体的制备方法所制备的氢气传感器芯体在M0S电容氢气传感器中的应用。
[0023]本发明的氢气传感器芯体所制备的电容氢气传感器其工作原理为:氢气吸附于钯或钯合金氢气敏感层的表面后，在其催化作用下，氢气分子分解产生氢原子，氢原子扩散通过金属膜，达到金属-介质层界面处。在界面电荷的吸引下，氢原子被吸附在金属-介质层的界面处，形成以偶极层，该偶极层将改变钯或钯合金的功函数，导致钯或钯合金氢气敏感层和硅片基底间的势皇发生变化，最终导致M0S电容的电容值发生变化，变现出其容-电压曲线(即c-v曲线)发生漂移。且随着氢气浓度的加大，输出电容-电压曲线的漂移值也相应增加。
[0024]与现有技术相比，本发明的优点在于:
1、本发明的氢气传感器芯体用介质材料，该介质材料为非晶碳，非晶碳成分简单，化学性质稳定，从而避免了氧化物材料中的氧空位、间隙氧、金属离子空位以及间隙金属离子等缺陷给材料本身的性能带来影响。特别适合制备高稳定性、长寿命的电子器件，且非晶碳薄膜制备工艺简单，原材料及制备成本均很低。
[0025]2、本发明的氢气传感器芯体，将非晶碳薄膜作为氢气敏感层与N型硅基片间的介质层，经过反复的实验验证，申请人发现，相比传统的氧化物作为介质层而言，本发明的氢气传感器芯体制备的M0S电容薄膜氢气传感器能够检测到的氢气浓度下限更低，达lOppm，能及早发现微弱氢气的泄露，起到提前报警的作用；而且响应时间和脱氢时间小于25s，能实时监测环境中氢气浓度的变化。另外，非晶碳薄膜的稳定性也很好，特别适合制备高稳定性、长寿命的电子器件。这些均表明非晶碳薄膜作为介质层在低浓度的氢气检漏领域具有潜在的应用价值。
[0026]3、本发明的氢气传感器芯体的制备方法，采用离子束溅射或磁控溅射在基底表面制备非晶碳薄膜作为介质层，制备工艺简单，材料及加工成本低廉；通过进一步对离子束溅射或磁控溅射工艺进行优化，本发明制备的氢气传感器芯体用于M0S电容薄膜氢气传感器中，能检测到的氢气浓度下限达10 ppm，且响应时间和脱氢时间小于25 s，不仅能及早发现微弱氢气的泄露，而且也能实时监测环境中氢气浓度的变化。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的氢气传感器芯体的剖面图。
[0028]图2为本发明实施例2的氢气传感器芯体的制备流程图。
[0029]图3为本发明实施例2的氢气传感器芯体的C-V特性测试结果。
【具体实施方式】
[0030]以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0031]实施例1:
一种氢气传感器芯体用介质材料，该介质材料为非晶碳。
[0032]本实施例中，非晶碳为N掺杂非晶碳。
[0033]本实施例中，N在N掺杂非晶碳中的原子百分含量为3.68 %。
[0034]实施例2
如图1所示，本实施例的氢气传感器芯体，依次包括基片、介质层和氢气敏感层，介质层由