一种氢气传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料气体传感器技术领域，尤其是涉及一种氢气传感器及其制造方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]氢气以其高效、可再生而且环保的优势被认为是未来最有吸引力的能源资源。目前，氢气正在用于内燃机和燃料电池，而且很快将凭借其清洁排放的潜力成为无处不在的能源，被应用于汽车、房屋等。但是由于氢气无色、无味、在干燥空气中浓度介于4%到70%时极易爆炸，因此存储和使用氢气的危险是亟待解决的问题。因此，室温下对氢气泄露的检测，特别是低浓度的检测，对于安全是十分重要的。
[0004]满足氢气安全利用的一个关键方面是氢气传感器。安全氢气传感器是被公认为成功应用氢气的关键。美国能源部发表了一份安全氢气传感器的目标要求规范，提出氢气传感器的参数要求和氢气传感器的候选方案，要求精度高，响应时间快(小于I秒)，测量范围为1%到10% O
[0005]目前有很多种不同原理的氢气传感器，包括燃烧式氢气传感器、电化学氢气传感器、半导体氧化物氢气传感器、热导型氢气传感器等。但是，现有的这些氢气传感器在响应速度、重复性、工作温度等方面均具有各自的缺点，存在进一步改进的空间。
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【发明内容】
[0007]本发明的目的之一是提供一种工艺简单、可重复性好的制造氢气传感器的方法。
[0008]本发明的目的之一是提供一种响应速度快、重复性好、工作温度低、结构简单的氢气传感器。
[0009]本发明公开的技术方案包括:
提供了一种制造氢气传感器的方法，其特征在于，包括:提供硅衬底，所述硅衬底包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；在所述第一表面上形成铝层；对所述铝层进行阳极氧化处理，在所述铝层上形成具有多个小孔的氧化铝层，并且所述小孔贯穿所述氧化铝层；在所述小孔内壁上沉积碳原子层，其中内壁上沉积了碳原子层的小孔形成碳纳米管；在所述氧化铝层上形成上电极；在所述硅衬底的第二表面上形成下电极。
[0010]本发明的一些实施例中，在所述第一表面上形成铝层包括:用电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法或者磁控溅射沉积法在所述第一表面沉积形成铝层。
[0011]本发明的一些实施例中，对所述铝层进行阳极氧化处理包括:对所述铝层进行第一次阳极氧化处理，在所述铝层上形成具有多个小孔的第一氧化铝层；去除所述第一氧化铝层；对去除了所述第一氧化铝层后的所述铝层进行第二次阳极氧化处理，在所述铝层上形成具有多个小孔的第二氧化铝层，并对第二氧化铝层中的小孔进行扩孔处理。
[0012]本发明的一些实施例中，对所述铝层进行第一次阳极氧化处理包括:将硫酸或者草酸溶于去离子水中，获得第一酸性溶液；将形成了铝层的硅衬底置于所述第一酸性溶液中并接到直流电源正极，通电第一预定时间。
[0013]本发明的一些实施例中，去除所述第一氧化铝层包括:配制磷酸和铬酸的混合溶液，获得第二酸性溶液；将形成了第一氧化铝层的硅衬底置于所述第二酸性溶液中，水浴反应第二预定时间，去除所述第一氧化铝层。。
[0014]本发明的一些实施例中，对去除了所述第一氧化铝层后的所述铝层进行第二次阳极氧化处理和扩孔处理包括:将去除了所述第一氧化铝层后的硅衬底置于所述第一酸性溶液中并接到直流电源正极，通电第三预定时间，在所述铝层上形成具有多个小孔的第二氧化铝层；将磷酸溶于去离子水中，获得第三酸性溶液；将形成了第二氧化铝层的衬底置于所述第三酸性溶液中，腐蚀第四预定时间。
[0015]本发明的一些实施例中，在所述小孔内壁上沉积碳原子层包括:用化学气相沉积法在所述小孔内壁沉积碳原子层。
[0016]本发明的一些实施例中，所述小孔的直径为40至100纳米，所述小孔的深度为I至1.5微米。
[0017]本发明的实施例中还提供了一种氢气传感器，其特征在于，包括:硅衬底，所述硅衬底包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；铝层，所述铝层形成在所述第一表面上；氧化铝层，所述氧化铝层形成在所述铝层上，所述氧化铝层中形成多个小孔，所述小孔贯穿所述氧化铝层，并且所述小孔的内壁上形成有碳原子层；上电极，所述上电极形成在所述氧化铝层上；下电极，所述下电极形成在所述硅衬底的第二表面上。
[0018]本发明的一些实施例中，所述小孔的直径为40至100纳米，所述小孔的深度为I至1.5微米。
[0019]本发明的实施例中，形成具有多个小孔的氧化铝层，并且以该具有多个小孔的氧化铝层为模板，在小孔的内壁上沉积碳原子，形成碳原子层。这样，每个内壁上沉积了碳原子层的小孔即成为一个碳纳米管，这样的多个小孔的阵列即形成了碳纳米管阵列。氧化铝层的表面形成上电极，该上电极通过这样形成的碳纳米管阵列与下电极连接。利用上下电极可以测量碳纳米管的电阻。这种碳纳米管具有非常大的比表面积，并具有高的机械强度和良好的电学特性，可以检测氨气、水蒸汽、二氧化氮、氧气等多种气体。因此，本发明的实施例中的氢气传感器具有响应速度快、重复性好、工作温度低、结构简单、体积小等优点，在室温下对0.05%-2%体积浓度的氢气敏感。此外，本发明实施例的制造氢气传感器的方法工艺简单，可重复性好。
[0020]
【附图说明】
[0021]图1是本发明一个实施例的制造氢气传感器的方法的流程示意图。
[0022]图2是本发明一个实施例的氢气传感器的正视截面图的示意图。
[0023]图3是本发明一个实施例的氢气传感器的俯视示意图。
[0024]
【具体实施方式】
[0025]下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造氢气传感器的方法的具体步骤及其制造的氢气传感器的具体结构。
[0026]图1为本发明一些实施例的制造氢气传感器的方法的流程示意图。
[0027]如图1所示，本发明的一些实施例中，在步骤10中，可以在硅衬底的第一表面上形成铝层。
[0028]本发明的实施例中，在步骤10中，可以提供硅衬底，该硅衬底可以是重掺杂(例如，掺杂浓度为1X101S-102° cm3)的N型硅片。该硅衬底可以是片状的，可以包括彼此相对的两个主要表面(即面积大的表面)，本文中称之为第一表现和与第一表面相对的第二表面。然后，可以在硅衬底的第一表面上形成铝层。该铝层可以通过用多种适合的方法将金属铝沉积在第一表面上而形成。例如，一些实施例中，可以使用电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法或者磁控溅射沉积法等等方法在第一表面上沉积形成铝层。电子束蒸发沉积法、热蒸发沉积法和磁控溅射沉积法可以是本领域内常用的沉积方法，在此不再详述。
[0029]一些实施例中，该铝层的厚度可以为2.5至3微米。如果该铝层太薄，则下文所述的阳极氧化时就容易全部被氧化，从而导致容易脱落；而如果该铝层太厚，在硅衬底沉积铝层的时间会需要比较长。发明人发现，较佳的厚度范围为此范围。
[0030]在硅衬底上形成了铝层之后，在步骤20中，可以对该铝层进行阳极氧化处理，从而使该铝层的一部分氧化，形成具有多个小孔的氧化铝层，并且这些小孔贯穿氧化铝层到顶与氧化铝层接触的铝层(也即在阳极氧化处理中未被氧化成氧化铝的铝层)。一些实施例中，可以使用两次阳极氧化的方法形成该具有多个小孔的氧化铝层。
[0031]例如，一些实施例中，可以首先对铝层进行第一阳极氧化处理。例如，一些实施例中，可以将硫酸、磷酸或者草酸溶于去离子水中，获得第一酸性溶液。然后，将形成了铝层的硅衬底置于该第一酸性溶液中并接到直流电源的正极，以适合的金属材料(例如，铂)作为负极，通电第一预定时间，在该过程中，在铝层上将产生纳米自组装过程，从而在铝层上形成具有多个小孔的氧化铝层。
[0032]这些实施例中，第一酸性溶液的浓度可以是0.3-0.5摩尔/升(mol/L)。使用的阳极电压(即在硅衬底上的铝层处的电压)可以为30到40伏。该第一预定时间(即通电的时间，也即电化学氧化进行的时间)可以为1-2小时。
[0033]然后，可以去除该第一氧化铝层。
[0034]例如，一些实施例中，可以配制磷酸和铬酸的混合溶液，获得第二酸性溶液，然后将形成了第一氧化铝层的硅衬底置于该第二酸性溶液中，在预定温度下水浴反应第二预定时间，从而腐蚀去除第一氧化铝层。因为第一氧化铝层中的小孔的底面形状通常是半球形的，因此去除第一氧化铝层之后，与小孔的底面形状对应的小的凹坑会留在的铝层表面上。这些规则排列的凹坑将有利于下文中所述的第二次阳极氧化处理形成的第二氧化铝层中的小孔的高的规则性。
[0035]这些实施例中，第二酸性溶液的浓度可以是磷酸质量分数5-7%，铬酸质量分数
1.5-1.8%。前述的预定温度可以是60-70°C。前述的第二预定时间可以是1.5-2小时。
[0036]然后，可以对去除了第一氧化铝层后的铝层进行第二次阳极氧