[发明专利]一种单原子氢传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单原子氢探测及传感器的制备方法，该原子氢传感器以过渡金属钒(V)作为单原子氢传感器的敏感层；金属电极作为传感器的测试电极；Si₃N₄作为阻挡层，防止高能H穿透敏感层；并在下方设置温控电极，稳定传感器的工作温度，满足了空间环境或其他环境原子氢探测的需求。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种单原子氢传感器及其制备方法。

背景技术

氢原子是构成宇宙的最基本元素，氢探测对于揭示宇宙的产生及演化具有重要的科学意义。空间环境中H元素的丰度为95％，因此可以说宇宙基本上是由H元素所构成。原子氢是上层空间环境大气成分中最主要的中性成分，其成分变化对于超高层大气物理学、太阳物理学都有重要的意义，例如，大气化学、等离子体与中性粒子耦合过程、磁层的能量耗散过程以及地磁风暴都与其有关。另外，作为大气环境中最轻的中性成分，原子氢对于脱离行星引力所需要的能量最低，据估计地球中氢原子逃逸到外层空间中的速度大约为～10⁸cm^-2s^-1，从长远看空间氢的探测对于大气演化过程具有深远的意义。

目前针对氢气(双原子氢)的传感器技术发展全面，但是针对单原子氢的探测技术和探测手段都比较单一，通常是采用质谱或光谱等手段获得。但是由于质谱或光谱测量设备均需要大量的测量空间和辅助的测量光路，其体积、功耗、大小以及工作方式有多方面的限制，成本也比较高，导致质谱和光谱等手段不适用于微纳卫星、商业化卫星以及舱内环境原位探测。与地面的氢气探测传感器相比较来说，在地面应用的重点在于探测氢气的爆炸极限，通常关注的浓度范围在4％左右，而近地环境的空间氢元素不仅需要探测氢分子，同样需要对单原子氢进行测量，而且其探测的浓度范围通常在ppm以下，灵敏度要求更高。可见现有的单原子氢测量设备不能满足近地环境的测量要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单原子氢传感器及其制备方法，能够满足空间环境或其他环境原子氢探测的需求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的一种单原子氢传感器，包括敏感层、温控层、阻挡层、基底以及电极，自上而下依次为电极、敏感层、温控层、阻挡以及基底，其中所述温控层嵌入阻挡层中；所述敏感层材料为过渡金属V；所述阻挡层用于防止高能H进入温控层，同时防止高能H原子穿过敏感层。

其中，所述阻挡层包括第一阻挡层以及第二阻挡层；所述第二阻挡层在所述基底上；所述温控层和所述第一阻挡层在所述第二阻挡层上，所述温控层被所述第一阻挡层包覆；所述第一阻挡层的厚度大于所述温控层的厚度。

其中，所述阻挡层材料为Si₃N₄。

其中，所述温控层材料为Pt。

其中，所述电极材料为金属Au或Cr/Ni合金。

其中，所述基底为刚性基底或柔性基底，其中刚性基底为Si、SiO₂、Al₂O₃或SiC；柔性基底为聚四氟乙烯、环氧树脂、聚酰亚胺或聚碳酸酯。

其中，所述敏感层和温控层的形状为回线形。

本发明还提供了一种单原子氢传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、采用PECVD法在基底上沉积一层Si₃N₄作为H的阻挡层；

步骤2、涂胶光刻形成Pt温控层的图形，磁控溅射沉积Pt薄膜并剥离形成Pt温控层；

步骤3、采用CVD法沉积一层Si₃N₄作为Pt温控层的H阻挡层；