一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器制备方法。其制备步骤为：首先，利用光刻方法在表面长有ＳｉＯ↓［２］的硅片上得到梳状电极；然后，在制备好的电极上沉积钯纳米粒子，形成传感器单元；最后，将一系列具有不同的初始电导值的传感器单元并联起来构成氢气传感器。这种传感器具有快的响应速度和高的灵敏度，并且本发明专利技术的全部制备步骤可包含于标准的微电子器件制作流程中，用于实现传感单元与电子测量单元和数据处理单元的片上集成，获得微纳传感器件。也可以与微机械单元的制作步骤相衔接，用于微机电器件的制备中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气体传感器和微机电器件领域，具体地说是涉及一种可集成的密集纳米颗粒 单层膜氢气传感器的制备方法。二
技术介绍
氢气作为一种无污染能源，己广泛地应用于航空航天、汽车发动机、半导体制造和化工 生产企业。 一般情况下空气中氢气含量在4%-75%时，遇明火极易产生爆炸。因此，为了安全 使用氢，研究可靠、快速响应和高灵敏度的氢气传感器具有十分重大的意义。目前，用于氢 含量监测的氢气传感器主要有电化学传感器，金属薄膜传感器和半导体氧化物传感器，其中， 以半导体氧化物传感器居多。上述氢气传感器大多以块体钯或连续的钯薄膜作为氢传感材料。当钯接触到氢气后能吸收大量的氢气并与氢气反应形成钯氢化物从而使电阻上升，氢气分压 力越大储存在钯中的氢含量越高，从而使得钯材料的电阻也就越大；并且钯与氢气的反应是 可逆的，在钯被加热或者氢气分压降低的情况下被钯吸收的氢气又能解吸附，钯的电阻会随 氢气的解吸附过程而下降，上述的氢气传感器就是通过测量钯氢化物形成导致的电阻变化情 况来达到探测氢气的目的。但是，氢气与块体钯材料的反应需要较长时间，限制了这类氢气 传感器的响应速度，通常需要数分钟的时间才能对氢气浓度变化产生响应；另一方面，其灵敏 度也较低，难于测量低浓度的氢气。2001年法国Montpellier第二大学Favier和美国加州大学Penner合作发展了一种基于电 子量子隧道穿透过程的氢气传感机理(F. Favier, E. C. Walter, M. P. Zach, T. Benter, R. M, Science 293， 2227(2001))。他们构造了存在纳米间隔的断续钯纳米线组成的阵列，测量吸附氢 气后钯纳米线阵列的电导变化，表明其电导与氢气浓度之间存在单调的变化关系，因此可以 构成氢气传感器。钯纳米线阵列吸氢后电导的变化是由于吸氢导致钯纳米线晶格膨胀，使断 续纳米线端点间的间隔变小。由于纳米线端点间未形成欧姆接触，两端点之间隔构成一势垒， 电子只能在一定偏压下在纳米线间通过量子隧道穿透传输，而电子穿透隧道的儿率(即通过纳 米间隔的电流大小)是与势垒宽度即纳米线端点间隔宽度成负的指数关系的，纳米线端点间隔变小，电子隧穿几率就急剧增大，这就造成纳米线阵列的电导随着吸附氢气而迅速增加。通 过测量电导的变化就可获得氢气浓度的变化。由于纳米线阵列的电导随纳米线端点之间隔宽 度按指数关系变化，使得这种氢气传感器具有高的灵敏度。又由于电导是由电子的隧道穿透 贡献的，这种传感器具有极低的功耗。Favier等是通过在PdW离子的水溶液中在石墨表面上的台阶处电化学沉积钯纳米线，再 将钯纳米线转粘到氰基丙烯酸盐粘合剂复型膜上的多步过程制备断续钯纳米线阵列的。其制 作方法复杂，不能对所形成的纳米线阵列的电导进行实时监控，难以保证其用于氢气传感时 的稳定性和一致性，不适于工业化规模生产。另一方面，采用这种制备方法也难以将钯纳米 线传感单元与电学测量单兀和数据处理单元集成、构成微纳传感器件，从而限制了其在微机 电器件(MEMS)领域的应用。
技术实现思路
1. 专利技术目的本专利技术的目的在于提供。该方 法通过钯纳米粒子束流气相沉积获得纳米粒子在微电极间密集排列的颗粒单层膜，通过颗粒 膜电导的变化获得氢气浓度的变化，通过在沉积过程中对颗粒膜电导的实时监控实现对传感 器灵敏度和量程范围等工作参数的控制。2. 技术方案 本方法的实现步骤是，其制备步骤如下-1) 在高纯硅片(11)表面通过热氧化生长一层Si02绝缘层(12),将此带有绝缘层的硅 片作为基片；2) 通过光阻剥落法工艺在上述基片上制备梳状电极对(1)、 (2);3) 将制备好的带梳状电极的基片(13)固定于真空沉积室(16)的衬底座(15)上，在 梳状电极上焊接导线(10)并引出到真空沉积室(16)外，与电导测量仪器(14)的电极相 连接；4) 将真空沉积室(16)连接到纳米粒子源(19)上并通过高真空泵(21)抽真空到10—5pa 以上，钯纳米粒子(18)通过惰性气体氩气(17)聚集法团簇源产生，团簇源与真空沉积室(16)之间通过小孔(20)连通构成差分真空，工作时团簇源内充入100-1000Pa的氩气(17)， 真空沉积室(16)保持10^Pa以上的真空度，团簇源内产生的钯纳米粒子(18)通过小孔(20)5喷出到真空沉积室(16)并沉积到梳状电极(13)上；5) 在梳状电极(13)间沉积钯纳米粒子(18)，并通过电导测量仪器(14)实时监测沉 积过程，使得在梳状电极之间形成近距邻接钯纳米粒子链(22);6) 在电导随时间发生显著变化的沉积阶段tl-t2之间(见图4)停止钯纳米粒子(18)的 沉积，得到具有相应的初始电导的氢气传感器单元(23);7) 按步骤l) - 6)的方法在tl-t2之间选择2-5个不同的沉积时间，制备2-5个具有不同 初始电导的氢气传感器单元(23)，将这些氢气传感器单元对应的两极并联就得到了本专利技术的 氢气传感器(24)。所述的Si02绝缘层(12)的厚度为300nm-800nm。所述的梳状电极对(1)、 (2)，电极厚度为70皿-lOOrnn的银薄膜或金薄膜，两电极的面 积7X9及8X9为8-10誦X8-20誦，电极之间间隙(3)的宽度(4)为l-10nm，梳状电极的 齿长(5)为l-3mm，齿宽(6)为3-10nm，梳状电极的宽度(7)、 (8)为8-10mm，长度(9) 为8-20mm，梳状电极间的初始电阻应不小于1MD。所述的小孔(20)直径2-10mm。所述步骤7)中将2-5个氢气传感器单元并联起来组成的氢气传感器同时具有低的氢浓 度探测下限和高的氢浓度探测上限。本专利技术的工作原理是通过纳米粒子束流气相沉积方法使钯纳米粒子在微电极间形成密 集排列的颗粒单层膜，沉积量达到一定值吋，在颗粒膜中将出现连通微电极两极板的近距邻 接纳米粒子链。所谓近距邻接是指纳米粒子链中各相邻纳米粒子表面之间的间距足够小，使 得电子在一定的偏压作用下，能以足够的几率通过隧道穿透实现在纳米粒子间的传输。微电 极间的电导与其间所包含的近距邻接纳米粒子链的数目相对应近距邻接纳米粒子链的数目 越多，微电极间的电导就越大。由于金属钯在吸收氢之后其晶格发生膨胀，导致纳米粒子直 径增大，相邻纳米粒子间的面间距减小。因此，上述纳米粒子单层膜吸氢的结果，使近距邻 接纳米粒子链的数目增多，微电极间的电导增大。吸氢导致微电极间纳米粒子单层膜电导变 化的程度与纳米粒子的覆盖率相关当覆盖率较低时，纳米粒子单层膜中近距邻接链的数量 较少，纳米粒子间的面间距较大，需要吸收较多的氢气才能导致微电极间电导的显著变化， 所构成的传感器适于较大浓度氢气的感测，而对微量氢气难于产生响应；当覆盖率较高时， 纳米粒子单层膜中近距邻接链的数量较多，纳米粒子间的面间距较小，少量的氢气就能导致 微电极间电导发生显著变化，因此所构成的传感器对微量氢气的探测具有高的灵敏度，但在 高浓度氢气时会导致由于电导饱和而失效。为使氢气传感器同时具有高灵敏度和宽量程，可6制备若干不同纳米粒子覆盖率或者说具有不同初始电导的单层膜，并联构成传感器阵列，其 中的高初始电导的传感单元能够对微量氢气产生灵敏的响应，而在高氢气浓度时该传感本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器的制备方法，其制备步骤如下： ２）在高纯硅片（１１）表面通过热氧化生长一层ＳｉＯ↓［２］绝缘层（１２），将此带有绝缘层的硅片作为基片； ２）通过光阻剥落法工艺在上述基片上制备梳状电极对（１ ）、（２）； ３）将制备好带梳状电极的基片（１３）固定于真空沉积室（１６）的衬底座（１５）上，在梳状电极上焊接导线（１０）并引出到真空沉积室（１６）外，与电导测量仪器（１４）的电极相连接； ４）将真空沉积室（１６）连接到纳米粒子 源（１９）上并高真空泵抽真空到１０↑［－５］Ｐａ以上真空度；钯纳米粒子（１８）通过惰性气体氩气（１７）聚集法团簇源产生，团簇源与真空沉积室（１６）之间通过小孔（２０）连通构成差分真空，工作时团簇源内充入１００－１０００Ｐａ的氩气（１７），真空沉积室（１６）保持１０↑［－２］Ｐａ以上的真空度，团簇源内产生的钯纳米粒子（１８）通过小孔（２０）喷出到真空沉积室（１６）并沉积到制备有梳状电极（１３）的基片上； ５）在梳状电极（１３）间沉积钯纳米粒子（１８）的同时，通过电导测量仪 器（１４）实时测量沉积过程中梳状电极之间的电导变化，监控在梳状电极之间形成的近距邻接钯纳米粒子链（２３）； ６）在电导随时间发生显著变化的沉积阶段ｔ１－ｔ２之间停止钯纳米粒子（１８）的沉积，得到具有相应的初始电导的氢气传感器单元（２４ ）； ７）按步骤１）－６）的方法在ｔ１－ｔ２之间选择２－５个不同的沉积时间，制备２－５个具有不同初始电导的氢气传感器单元（２４），将这些氢气传感器单元对应的两极并联就得到了本专利技术的氢气传感器（２５）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：韩民，宋凤麒，王广厚，谢波，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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