基于MEMS工艺的多层钯基微热氢气传感器及其制备方法

本发明属于mems技术、材料、传感器领域，涉及氢气传感器，具体提供一种基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器及其制备方法。

背景技术：

1、氢气作为一种清洁燃料广泛应用于工业生产中(如汽车、航空、发电等)，相对于传统燃料能够解决储量不足、不可持续、污染严重等问题，但与此同时也存在爆炸限低、极易泄露等安全性因素，需要在使用时借助氢气传感器进行泄露检测。目前，主流的氢气传感器由微加热板、隔离层及敏感层等组成，一方面加热温度较高、加热效率不足引起加热功耗过高，导致集成度较低；另一方面加热后氢气传感器存在探测限变窄，不利于探测高浓度环境下的氢气；因此，低功耗、高集成度、宽检测限的氢气传感器成为研究重点。

2、在上世纪70年代，随着钯的氢敏特性被人们发现，为氢气传感器这一领域提供了新的解决思路，它被证明是一种能够实现低功耗、快速响应的氢敏材料。近年来，钯基氢气传感器的研究成果已有报道；如公开号为cn 101482528b的专利文献中公开了一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器，由于钯纳米颗粒吸氢晶格膨胀，导致纳米颗粒之间形成新的电连接点位，引起梳状电极之间的电导率变大，从而检测氢气浓度变化；又如公开号为cn 101968461b的专利文献中公开的基于钯-纳米二氧化锡薄膜状电极的室温氢气传感器；然而，上述两种器件都存在不足：由于薄膜厚度不足或纳米颗粒分布不均匀等问题导致工艺存在不可控因素影响了器件的批次一致性与可重复性；若采用沉积厚膜作为氢敏电极以提升一致性会导致响应时间增加，不利于快速检测，必须通过微热板进行加热，且需利用精确控温实现不同外界温度环境下的应用。因此，通过引入微热板对厚膜进行加热实现宽检测范围、快速检测与器件批次一致性的氢气传感器具有重要意义。

3、目前，钯基微热氢气传感器也存在少量的报道，如公开号为cn 109060895 a的专利文献中公开了一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，但该结构无测温电极进行温度监测及控温，无法适应不同外界温度环境下的工作，并且，该结构基于平面设计，加热时存在多余热量损耗，从而有更多能量损耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器及其制备方法，用以实现小型化、加热效率高，响应时间快、控温精确及电路兼容性好的技术目标，提升钯基微热氢气传感器在不同环境下的工作能力，对于能源开发、工业安全、军事等领域均有广泛应用潜力。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，包括：基底101、测温电极102、测温-加热电极隔离层103、加热电极104、加热-氢敏电极隔离层105以及氢敏电极106；其特征在于：

4、所述基底101背部开设镂空结构，于基底顶部的中心区域形成图形化支撑层，图形化支撑层四周的镂空区域形成阻热区域107，图形化支撑层两侧与其相连接区域形成引脚区域108；

5、所述测温电极102设置于图形化支撑层上，所述加热-测温电极隔离层103设置于测温电极上，所述加热电极104设置于加热-测温电极隔离层上，所述测温-氢敏电极隔离层105设置于加热电极上，所述氢敏电极106设置于测温-氢敏电极隔离层上，所述测温电极102、测温-加热电极隔离层103、加热电极104、加热-氢敏电极隔离层105、氢敏电极106与图形化支撑层采用相同图形结构；

6、所述测温电极102、测温-加热电极隔离层103、加热电极104、加热-氢敏电极隔离层105、氢敏电极106于衬底的引脚区域108上引出引脚及相邻引脚间的隔离层。

7、进一步的，所述测温电极、测温-加热电极隔离层、加热电极、加热-氢敏电极隔离层、氢敏电极与图形化支撑层均采用蛇形结构。

8、进一步的，所述氢敏电极采用钯镍、钯钴或钯钌合金，薄膜厚度为5～30nm。

9、进一步的，所述加热电极采用金属镍、金、金镍合金等常见加热电极，薄膜厚度为50～100nm。

10、进一步的，所述测温电极采用金属镍、金、金镍合金等常见测温电极，薄膜厚度为20～40nm。

11、进一步的，所述测温-加热电极隔离层与加热-氢敏电极隔离层采用相同材料，具体采用氧化铝、氧化硅、氮化硅等绝缘材料；并且，测温-加热电极隔离层与加热-氢敏电极隔离层厚度相同，具体厚度为200～300nm。

12、进一步的，所述图形化支撑层厚度为10～50μm。

13、进一步的，所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

14、步骤1：采用光刻工艺实现测温电极及其引脚图形化，通过电子束蒸发工艺在硅基底上沉积测温电极及其引脚，沉积完成后剥离光刻胶；

15、步骤2：采用光刻工艺实现加热-测温电极隔离层图形化，通过电子束蒸发工艺在测温电极及其电极上沉积测温-加热电极隔离层，沉积完成后剥离光刻胶；

16、步骤3：采用光刻工艺实现加热电极及其引脚图形化，通过电子束蒸发工艺在测温-加热电极隔离层上沉积加热电极及其引脚，沉积完成后剥离光刻胶；

17、步骤4：采用光刻工艺实现加热-氢敏电极隔离层图形化，通过电子束蒸发工艺在加热电极及其引脚上沉积加热-氢敏电极隔离层，沉积完成后剥离光刻胶；

18、步骤5：采用光刻工艺实现氢敏电极及其引脚图形化，通过电子束蒸发工艺在加热-氢敏电极隔离层上沉积氢敏电极及其引脚，沉积完成后剥离光刻胶；

19、步骤6：采用光刻工艺实现刻蚀区域图形化，使用湿法刻蚀工艺利用tmah与氢氟酸溶液先后对硅基底背部进行各向同性刻蚀，形成蛇形支撑层及其四周的镂空结构。

20、基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

21、本发明提供一种基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器及其制备方法，所述多层钯基微热氢气传感器中，衬底上依次层叠设置的测温电极、测温-加热电极隔离层、加热电极、加热-氢敏电极隔离层与氢敏电极共同形成多层重叠结构，将加热电极与其上、下层叠的氢敏电极、测温电极之间设置相同的隔离层，使热量通过层间的纵向传热进行传导，减少横向传热的功率耗散，并使测温电极与氢敏电极处于同一温度区域，在提高加热效率的同时实现精确控温，进而提升钯基微热氢气传感器在不同应用场景的适用性；并且，通过在多层重叠结构开设镂空结构，形成阻热区域，能够进一步提升加热效率，降低器件功耗；另外，所述多层钯基微热氢气传感器采用mems工艺制备，制备工艺简单、制备成本低，有利于工业化生产。

技术特征：

1.一种基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，包括：基底(101)、测温电极(102)、测温-加热电极隔离层(103)、加热电极(104)、加热-氢敏电极隔离层(105)以及氢敏电极(106)；其特征在于：

2.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，其特征在于，所述测温电极、测温-加热电极隔离层、加热电极、加热-氢敏电极隔离层、氢敏电极与图形化支撑层均采用蛇形结构。

3.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，其特征在于，所述氢敏电极采用钯镍、钯钴或钯钌合金，厚度为5～30nm。

4.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，其特征在于，所述加热电极的厚度为50～100nm。

5.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，其特征在于，所述测温电极的厚度为20～40nm。

6.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，其特征在于，所述测温-加热电极隔离层与加热-氢敏电极隔离层采用相同材料，具体采用氧化铝、氧化硅、氮化硅绝缘材料；并且，测温-加热电极隔离层与加热-氢敏电极隔离层厚度相同，具体厚度为200～300nm。

7.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器，其特征在于，所述图形化支撑层的厚度为10～50μm。

8.根据权利要求1所述基于mems工艺的多层钯基微热氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明属于MEMS技术、材料、传感器领域，涉及氢气传感器，具体提供一种基于MEMS工艺的多层钯基微热氢气传感器及其制备方法，用以实现小型化、加热效率高，响应时间快、控温精确及电路兼容性好的技术目标。本发明中衬底上依次层叠设置的测温电极、测温‑加热电极隔离层、加热电极、加热‑氢敏电极隔离层与氢敏电极共同形成多层重叠结构，将加热电极与其上、下层叠的氢敏电极、测温电极之间设置相同的隔离层，使测温电极与氢敏电极处于同一温度区域，提高加热效率的同时实现精确控温，进而提升钯基微热氢气传感器在不同应用场景的适用性；并且，通过在多层重叠结构开设镂空结构，形成阻热区域，能够进一步提升加热效率，降低器件功耗。

技术研发人员：黎威志,阳瑞霖,袁震,范雪明,太惠玲,李勇亮,蒋亚东
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23