肖特基二極管氫氣傳感器的試驗研究

2019-09-11 02:25:08孫延玉程振乾李慧穎文吉延金鵬飛

傳感器與微系統 2019年9期

孫延玉, 周巖, 程振乾, 李慧穎, 文吉延, 金鵬飛

(中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

隨著化石能源諸如石油、煤炭造成的環境污染問題日益嚴重，人們越來越重視新能源特別是可再生能源的開發，氫氣是一種新的清潔型能源，具有來源廣泛，無污染等很多優點，備受產業界和學術界的關注。氫氣在燃料電池、氫能汽車方面的應用日益廣泛，但是其存在易泄露、易燃易爆等風險，為了解決這個難題，科學家開發很多檢測氫氣的方法，其中氫氣傳感器是最受重視的，因其具有體積小、重量小、成本低、響應快、可實時監測的特點，具有很大的市場占有量。

氫氣傳感器的研究受到了廣泛關注，并相繼推出了不同類型的氫氣傳感器。按照工作原理可分為催化燃燒型、半導體型、金屬和合金電阻型[1]、光學型、電化學型[2,3]、肖特基二極管型等，每種傳感器都有其優點和缺點。肖特基二極管氫氣傳感器是一種新型的氫氣傳感器，具有工作溫度低、選擇性好的特點，且可以利用微加工技術實現批量制造，可確保同一批次傳感器的均一性和互換性[4]。由于肖特基二極管氫氣傳感器的諸多優點，國內外研究者展開了廣泛的研究。鐘德剛等人[5]采用NO直接氧化制備氮氧化物，并以該氮氧化物作為絕緣層制備高性能Si基MOS肖特基二極管式氣體傳感器，結果顯示,傳感器靈敏度高、重復性好、檢測極限低，可以檢測濃度約為10-6的氫氣。王新華等人[6]通過濺射的方法制作了Pt/AlGaN/GaN背對背肖特基二極管，測試了該器件對氫氣的響應，發現空氣中的氧氣對于器件電流的恢復有重要的作用。

1 工作原理

肖特基二極管氫氣傳感器是一種功函數型傳感器，其工作原理是金屬(Pt、Pd等)表面對氫氣分子進行吸附，并催化使氫氣分子發生解離變成氫原子，氫原子擴散到金屬層內部，降低了金屬的功函數，導致肖特基勢壘高度下降，使二極管的電流/電壓曲線發生漂移，正向電流增加。當環境中的氫氣和擴散到金屬層中的氫氣達到平衡，肖特基二極管的I/V曲線漂移與氫氣濃度成一定比例關系，從而達到檢測的目的。

2 試驗過程

2.1 器件制作過程

本試驗采用基片為市售的雙面(100)氧化硅片，二氧化硅氧化層厚度為300 nm，導電類型為n型，電阻為0.01～0.09 Ω·m。先通過光刻、腐蝕等工藝在硅片一面形成預設圖形，再通過濺射工藝在圖形表面附著金屬敏感層，形成肖特基二極管膜層，如圖1所示。

圖1 肖特基二極管膜層

濺射工藝的工藝參數為：濺射功率為300 W，設備為MSP—300C磁控濺射臺,濺射時間為10～40 min。

肖特基二極管氫氣傳感器的加熱器通過厚膜工藝在氧化鋁襯底上印刷厚膜電阻條制備。

將制備的肖特基二極管膜層和加熱器分別進行引線焊接和燒結處理，并將肖特基二極管粘接在加熱器背面，形成肖特基二極管氫氣傳感器。如圖2所示。

圖2 肖特基二極管氫氣傳感器

2.2 氣敏性能測試過程

試驗裝置由標準氣源、流量控制器、測試裝置構成。標準氣源由氣體供應廠家配制，本試驗選3個濃度點：10×10-6,5 000×10-6,10 000×10-6。氣體流量計為浮子流量計，本試驗控制流量為200 mL/min。測試裝置包括供電電源、肖特基二極管氫氣傳感器安裝腔室和電化學工作站，其中供電電源可實現對肖特基二極管膜層和加熱器分別供電；電化學工作站可實現肖特基二極管電流/電壓信號曲線的掃描及采集，掃描速率為0.01 V/s。安裝腔室用于固定氫氣傳感器，并通過管道與流量計接通。

3 結果與討論

3.1 加熱功率對傳感器輸出的影響

根據熱電子理論[7，8]肖特基二極管的電流/電壓曲線復合如下公式

(1)

式中J為肖特基二極管凈電流密度，A為有效理查德常數，T為熱力學溫度，q為單位電荷，φBn為勢壘高度，k為玻爾茲曼常數，Va為所加載偏置電壓。

由式(1)可見，溫度對于傳感器的輸出有很大影響，而傳感器部位的溫度與傳感器的加熱功率有關，因此需要對傳感器的加熱功率進行考察。試驗過程中利用外加熱控制方法，通過控制加熱電源的功率來控制傳感器加熱功率，測量不同功率下傳感器輸出。試驗中在0～3.2 W之間選取了4個加熱功率值，測試數據見圖3所示。

圖3 傳感器輸出與加熱功率的關系

由圖3可知，隨著加熱功率的逐漸增加，傳感器在同一偏置電壓和環境氣氛中的輸出逐漸升高，符合式(1)所體現的趨勢。可見傳感器工作時，加熱溫度越高，則輸出越大，但隨著加熱功率的增大，傳感器總功率會增大，不利于傳感器低功耗應用的要求，因此,在進行敏感性能測試時選擇加熱功率為1.7 W。

3.2 傳感器輸出特性曲線

試驗中設定傳感器的加熱功率為1.7 W，分別測試了氫氣濃度在10×10-6,5 000×10-6,10 000×10-6三個濃度時的輸出，肖特基二極管傳感器在不同濃度氫氣氣氛下的輸出曲線見圖4(a)所示。

從圖4可知，當偏置電壓大于2 V時，傳感器對于不同濃度的氫氣的響應有明顯的變化，偏置電壓小于2 V時，電流變化近似成直線變化，偏置電壓大于2 V后，輸出電流迅速增大，符合肖特基二極管的電流—電壓變化曲線。當外加電壓為3.0 V時，氫氣濃度為10×10-6時的輸出電流為6.36×10-8A，氫氣濃度為5 000×10-6時的輸出電流為1.15×10-7A，氫氣濃度為10 000×10-6使的輸出電流為1.83×10-7A。

圖4給出了傳感器在不同偏置電壓下的輸出電流曲線，由圖4(b)可見傳感器具有良好的輸出特性。