[发明专利]电容式氢气传感器芯体及其制备方法、电容式氢气传感器

说明书

本发明所提供的电容式氢气传感器芯体及其制备方法、电容式氢气传感器，电容式氢气传感器芯体包括：自下至上依次设置的基体、介质片和第二电极；其中，基体设置为导电材料层；第二电极设置为氢气敏感层；介质片为Ⅲ族氮化物层，且介质片背离基体的端面氧化为Ⅲ族氧化物层。通过将Ⅲ族氮化物介质片背离基体的端面氧化为Ⅲ族氧化物层，使得第二电极与Ⅲ族氧化物层接触。当暴露于氢气时，氢原子扩散并吸附在Ⅲ族氧化物层与第二电极的接触界面处，Ⅲ族氧化物层直接与氢原子相互作用，促使氢原子的吸附和脱附达到平衡状态，最终使电容式氢气传感器芯体同时兼顾检测下限低、响应速度快及安全可靠的性能。

技术领域

本发明涉及氢气浓度检测技术领域，尤其涉及的是电容式氢气传感器芯体及其制备方法、电容式氢气传感器。

背景技术

地球上的氢元素存量非常丰富，可以通过电解水、光催化及化工过程等制备氢气。氢能源来源广泛，绿色可再生，有望在不远的未来成为最重要的能源形式广泛应用于氢燃料电池汽车、航天航空、化工、电子等领域。然而，氢气无色、无味、无臭、透明，在生产、运输和使用过程即使泄露也不易发现。氢气是易燃易爆气体，其在空气中体积浓度为4～75％时容易发生燃烧或爆炸事故。因此，需要可以快速检测出氢气浓度的传感器对氢气泄露进行预警预报，同时氢气作为消化道疾病的重要标志物，氢气传感器在医疗上也是呼气疾病诊断中极其重要的核心元器件。这些场合都要求氢气传感器具有低的检测下限LOD和快速检测能力，从而尽早发现氢气泄露现象并采取相关防护措施。

目前氢气传感器主要有光纤传感式、金属半导体氧化物电阻式、电化学式、催化燃烧式、场效应晶体管式和电容式等等。光纤传感式检测仪安全性好，但主要测试高浓度氢气；金属半导体氧化物电阻式传感器结构简单、成本低廉、可以测试低浓度的氢气，但响应时间长；催化燃烧式传感器目前已在部分氢燃料电池汽车上得到应用，该传感器具有超快响应速度，同时具有高的稳定性和宽的检测范围，然而该传感器普遍只能检测1000ppm以上浓度的氢气，无法检测低浓度的氢气；电容式传感器具有基线漂移小，对环境变化不敏感等优异特点，且在工作时不会产生电火花，即使发生高浓度氢气泄露也不会将其引燃引爆，具有很高的安全性和可靠性。目前市售的传感器要么检测下限高，要么响应速度慢(大于3s)，要么安全性不好。因此，如何提供一种兼顾检测下限低、响应速度快及安全可靠的氢气传感器，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供电容式氢气传感器芯体及其制备方法、电容式氢气传感器，旨在解决现有技术中氢气传感器不能兼顾检测下限低、响应速度快及安全可靠的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种电容式氢气传感器芯体，其包括：

自下至上依次设置的基体、介质片和第二电极；

其中，所述基体设置为导电材料层；所述第二电极设置为氢气敏感层；所述介质片为Ⅲ族氮化物层，且所述介质片背离所述基体的端面氧化为Ⅲ族氧化物层。

上述电容式氢气传感器芯体，通过将所述第二电极设置为氢气敏感层，当与氢气接触时，第二电极会吸附并且分解氢气为氢原子；同时，将所述基体设置为导电材料层，进而由所述基体构成电极，同时通过将所述介质片设置为Ⅲ族氮化物层，由Ⅲ族氮化物作为电容器的隔离层，由所述第二电极和导电材料层、介质片构成电容式氢气传感器芯体，氢原子会扩散并且吸附在Ⅲ族氮化物层和第二电极的界面处，形成偶极子层从而导致电容变化，进而实现安全、可靠和低检测下限的效果；同时，直接将所述Ⅲ族氮化物表面的区域进行氧化，将所述Ⅲ族氮化物表面形成Ⅲ族氧化物层；使得第二电极与所述Ⅲ族氧化物层接触，也使氢原子会扩散并且吸附在Ⅲ族氧化物层和第二电极的界面处，同时所述Ⅲ族氧化物层直接与所述氢原子相互作用，可以很快使氢原子的吸附和脱附达到平衡状态，进而实现超快响应速度的特点，最终使得所述电容式氢气传感器芯体同时兼顾检测下限低、响应速度快及安全可靠的性能。

进一步的，所述基体设置为单晶硅片或碳化硅片，厚度为0.001～3mm；