[发明专利]基于钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质结的氢气探测器

说明书

技术领域

本发明属于氢气探测器领域，具体涉及一种基于钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质结的氢气探测器。 

背景技术

当前，能源短缺与环境污染是全世界共同关注的热点问题，也是我国社会经济发展所面临的挑战性课题。氢气与能源、环境等问题紧密相关，对这种气体的探测已经越来越引起人们的重视。氢气作为一种能源气体，以其燃烧热值高、清洁无污染等优点被视为最具发展潜力的新型能源之一，然而氢气无色无味、易燃易爆，由氢气泄漏引发的爆炸和火灾每年都给我国造成巨大的经济损失和人员伤亡，为了保障氢气能源的安全生产、运输、储存和使用，开发氢气传感器对氢气泄露进行监测具有重要意义[Int.J.Hydrogen Energy,2013,38:305-312]。 

半导体型传感器具有使用方便、成本较低、与现代电子工业相匹配等优点，日益成为人们研究的重点。该类传感器以半导体材料作为气体敏感材料，主要利用半导体材料与气体之间的电荷转移来探测氢气[Sensors.Actuators B,2008,130:59-64.]等气体。目前研究比较广泛的半导体材料有氮化镓、砷化镓[Sensors.Actuators B,2013,176:241-247.]、二氧化锡（SnO₂）[Int.J.Hydrogen Energy,2012,37:13783-13788.]等，其中已实现商业化的主要是金属氧化物半导体材料，例如国产QM系列氢气传感器就是以SnO₂为氢气敏感材料。金属氧化物半导体气体传感器由于可测量的气体范围比较广、成本低、结构简单、反应响应时间比较快、与其他电子系统兼容性好等褚多优点已成为气体传感器中研究的热点。然而，金属氧化物半导体材料气体传感器在较高的工作温度下才能获得较好的气敏传感响应。这导致在易燃易爆的气体（H₂）的储存和运输过程中使用该类半导体型传感器会带来潜在危险。因此，为了提高金属氧化物半导体气体传感器的灵敏度、响应速度并其降低工作温度，必须对金属氧化物半导体气敏传感材料做进一步的改善。 

近来，基于碳/硅异质结，利用钯膜作为催化层，我们开发出了一种具有氢气敏感特性的钯/硼掺杂碳膜/硅异质结材料[Sens.Actuators B161(2012)1102]，常温下该异质结的电容在100ppm和纯氢气的氛围中分别增长15%和86%。 

本发明中，我们利用钯膜的催化效应和二氧化钛/二氧化硅/硅异质结的放大效应，开发出了一种具有氢气敏感特性的钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质材料，可使二氧化钛对氢气的敏感性大大提高，例如，在室温、黑暗条件下，在纯氢气氛围下，样品的电阻比空气中增加达到9500%。；最快的响应时间与恢复时间约为2秒和9秒，优于二氧化钛纳米管阵列的响应时间 和恢复时间[International journal of hydrogen energy37（2012）13602]。 

钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质结利用钯膜的催化效应和二氧化钛/二氧化硅/硅异质结的放大效应，降低了工作温度，提高了器件的响应度，器件性能得到显著提高。因此，钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质结在氢气探测制作方面显示出独特的应用前景。 

发明内容

本发明目的是提供一种基于钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质结氢气探测器及该探测器的制备方法。 

本发明采用有二氧化硅覆盖的硅作为衬底，以钯/二氧化钛作为基体材料制备氢气探测器，利用了钯的催化效应以及二氧化钛与硅的异质结的放大效应综合优势。同时本发明采用的工艺简单、室温条件探测并且与半导体平面工艺兼容、易于集成、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。 

本发明的氢气探测器从下到上依次包括二氧化硅覆盖的硅衬底、采用射频磁控溅射法在衬底上生长的纳米二氧化钛薄膜、在二氧化钛薄膜层上利用掩膜和直流磁控溅射方法制备比二氧化钛膜面积小的钯催化层；钯薄膜上的铟点电极和铟金属层上的铟点电极分别作为上、下电极，引出电源线，串联接通直流电源和电流表，直流电源的电压为0.5伏；其中覆盖二氧化硅的硅衬底厚度为0.5～2毫米，纳米二氧化钛薄膜的厚度为10～50纳米，钯催化层的厚度为10～30纳米。 

本发明所述的基于钯/二氧化钛/二氧化硅/硅异质结氢气探测器的制备方法，其步骤如下： 

(一)二氧化钛靶材的制备 

将纯度（质量分数）为99.99%的二氧化钛粉冷压获得二氧化钛溅射靶。 

（二）衬底的处理