[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种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，氢气传感器芯体用介质材料为非晶碳；氢气传感器芯体依次包括基片、由非晶碳构成的介质层和氢气敏感层；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。非晶碳成分简单，化学性质稳定，特别适合制备高稳定性、长寿命的电子器件。本发明的氢气传感器芯体所制备的MOS电容薄膜氢气传感器能够检测到的氢气浓度下限达10ppm，而且响应时间和脱氢时间小于25s。本发明的氢气传感器芯体的制备方法，工艺简单，材料及加工成本低廉。

技术领域

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

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。

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。

相比于电阻型薄膜氢气传感器，MOS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MOS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MOS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MOS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MOS电容氢气传感器介质层材料。

发明内容

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。

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。

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。

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%。

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。

上述的氢气传感器芯体，优选的，所述介质层的厚度为2nm～300nm。

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。

上述的氢气传感器芯体，优选的，所述基片的电阻率为0.001Ω·cm～30 Ω·cm。

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。