[发明专利]氢敏元件及制造法

说明书

本发明氢敏元件及制造方法，更具体讲涉及一种表面改质型金属氧化物半导体氢敏元件及其制造法，属半导体器件领域。

以往，以金属氧化物半导体材料作为包括氢气在内的易燃性气体敏感材料，将它在半导体，绝缘体与各种气敏元件用的固体衬底上形成敏感膜。这种气敏元件及制造方法已为公知。

氢气是工业中常用的易爆危险气体，氢气泄露极容易发生火灾和爆炸事故。为防止事故的发生必须对氢气的泄露进行安全检测和报警控制，应用氢敏元件于危险易爆气体传感器是当前传感技术领域中的急需。

日本专利JP-昭59-120945A公开一种氢气选择性敏感元件及其制取方法，实质在于在公知气敏元件表面形成一层只通过氢分子的非活性薄膜，其膜层为SiO₂、AL₂O₃或Si₃N₄中的一种。这种氢敏元件制造方法是在加热后的金属氧化物烧结体上通过热分解使所要生成氧化膜或氮化膜的蒸汽在一定蒸汽压下反应。经化学蒸发上述金属氧化物烧结体表面形成非活性薄膜，所述的形成氧化膜蒸气可以是硅化合物，铝化合物或氧化合物。

上述文献中所公开的氢敏元件，其中的起分子筛作用的非活性膜应该是有一严格厚度范围。它既取决于成膜材料性质，并应通过控制成膜环境气氛可以实现。该专利却未对此作出必要限定，于以充分公开。活性膜形成后膜层表面未作任何处理表面质量不均匀。附着力也差，对于裸露在大气中的气敏元件来说，势必影响使用寿命。

本发明的目在于提供一种可对分子筛膜层厚度给于精确控制的可实施的氢敏元件制造方法，及其产品。

本发明是对原有的金属氧化物半导体易燃性气体（包括氢气）气敏元件的改进，金属氧化物半导体气敏元件经表面改质处理形成一种氢敏元件，其特征为所述的气敏元件的金属氧化物半导体敏感膜上附有一层二氧化硅氢气透过膜，环境气体只有经外层二氧化硅膜才可进入敏感膜，由特定工艺形成的二氧化硅膜层是一种具有分子筛渗透过滤作用的膜层，二氧化硅氢气透过膜厚度为10-1μm，它只对分子直径小的氢气有通过作用，而对其它大分子结构气体却有阻隔作用。因此，膜层有效阻隔除氢气以外其它气体对敏感膜的干扰，而仅感受氢气一种气体。这就使原来对多种气体均有气敏效应的气敏元件具备了对氢气敏感的专属选择性。即形成一种选择性很高的氢敏元件。

形成本发明氢敏元件用的初始元件-即气敏元件可以是在烧结型、（包括内热式和旁热式）薄膜型、平面型或集成型金属氧化物半导体易燃性气体气敏元件中选择。

本发明所述改质处理气敏元件可以是SnO₂或ZnO₂或γ-Fe₂O₃半导体气敏元件。

制造氢敏元件的方法是将常规工艺制作的金属氧化物半导体气敏元件在特定的有机硅盐气氛中熏陶，对敏感膜作表面改质处理。金属氧化物半导体敏感膜上自然生长一层二氧化硅氢气透过膜。所说的特定气氛是指温度 100-500℃，改质浓度30%-100%的密闭气室，环境温度选择以满足改质液雾化要求，改质液浓度与熏陶时间成反比关系。改质液浓度高，熏陶时间可缩短，浓度小、熏陶时间可加长。以满足熏陶后二氧化硅氢气透过膜达到规定厚度为宜。但一般选择中浓度改质液，因浓度过大，改质处理不易控制，浓度过小，熏陶时间又过长。

熏陶过程可分段进行，中间间隔时间内，进行老化处理。

为改善二氧化硅氢气透过膜表面质量和稳定分子筛透气性能，熏陶后可放入600℃的高温中热处理。

所述的氢敏元件制造方法，配制改质液的有机硅盐可以从二氯硅烷SiH₂Cl₂、三甲基氯硅烷（CH₃）₃SiCl₄、或正硅酸乙酸Si（OC₂H₃）₄中选择。

附图

图1傍热式烧结型气敏元件结构示意图。

图2气敏元件在包括氢气在内的易燃性气体中，气体浓度与输出阻抗的响应曲线。

图3烧结型氢敏元件结构示意图。

图4平面型氢敏元件结构示意图。

图5薄膜型氢敏元件结构示意图。

图6本发明氢敏元件对不同浓度气体敏感曲线。

图7图8为本发明氢敏元件响应特性曲线。

附图说明：