CN114646675B - 一种基于薄膜晶体管的氢气传感器/制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，包括自下而上依次布置的衬底、栅电极、栅极绝缘层以及半导体层，源电极以及漏电极置于半导体层表面，源电极和漏电极由可吸收氢气的金属材料制成。发明以薄膜晶体管为基础，整体呈片状结构，厚度薄，弯曲灵活，且衬底可以选择为柔性材料，可以方便地将氢气传感器贴附在气瓶或输气管道表面上使用，机械特性好，对应用环境的限制较小；源电极和漏电极由可吸收氢气的金属材料制成，且本方案选用的金属材料具有较高的氢气溶解度，进而提高检测灵敏度高，响应速度快，通过源电极和漏电极对氢气的吸收从而产生响应，且金属材料对氢气有较高的识别度进而达到针对性强，不易受其他气体的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测传感器技术领域，特别涉及一种基于薄膜晶体管的氢气传感器及其制备方法。
背景技术
现有的氢气传感器其传感机理大多基于催化反应，氢气与氧气在传感器表面反应释放热量，以改变传感部件的电阻率，实现电信号的改变。这类氢气传感器在高温下可实现较快的反应，也是商用氢气传感器最常采用的方案。除此以外，还有基于电化学反应，热导电率变化，电阻特性，功函数特性，以及光学特征响应等的氢气传感器。
现有的氢气传感器存在的不足之处是：1.机械特性差，无法灵活地在一些曲面场景中使用，比如无法将传感器贴附在气瓶或输气管道表面上使用；2.气体识别能力欠缺，传感器不仅对氢气做出响应，也会受到其它可燃气体的干扰，如甲烷和一氧化碳等；3.响应时间过长灵敏度低，在工作中需要通过加热来实现更高的灵敏度和更快的响应，但这无疑增加了传感器系统的复杂度和功耗；4.现有的氢气传感器往往是通过光学和电化学相结合的方式进行探测，其中通常包含了一些精密的光学组件和电子组件，制造工艺复杂，制造和维护成本高。
发明内容
本发明的目的是解决现有的氢气传感器存在的不足之处，提供一种基于薄膜晶体管的氢气传感器及其制备方法，能够有效解决上述问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，包括自下而上依次布置的衬底、栅电极、栅极绝缘层以及半导体层，源电极以及漏电极置于半导体层表面，源电极和漏电极由可吸收氢气的金属材料制成。
作为优选，源电极包括设于半导体层上的第一条状基体和设置在第一条状基体上的若干个第一条状延伸部，漏电极包括设于半导体层上的第二条状基体和设置在第二条状基体上的若干个第二条状延伸部，第一条状延伸部和第二条状延伸部交错间隔排列设置；所述源电极还包括第一电极片，漏电极还包括第二电极片，第一电极片与第一条状基体之间通过第一连接体相连，第二电极片与第二条状基体之间通过第二连接体相连。
作为优选，所述源电极为圆环形，所述漏电极为圆形，漏电极设置在源电极的中心，漏电极与源电极之间形成圆环状的沟道。
作为优选，所述半导体层为有机半导体层或非晶IGZO薄膜层。在一些实施例中，半导体层的厚度为40-60nm。
作为优选，源电极和漏电极由金属钯或铂制成。在一些实施例中，源电极和漏电极的厚度为50-100nm。
作为优选，栅极绝缘层由高k值的氧化物制成。在一些实施例中，其厚度为40-160nm。
作为优选，衬底选择为玻璃、柔性聚合物薄膜或热生长SiO2的Si衬底的一种。
一种基于薄膜晶体管的氢气传感器的制备方法，包括如下具体步骤：
1)对衬底进行清洗，然后干燥；
2)在衬底表面制备栅电极；
3)在栅电极上制备栅极绝缘层，并对栅极绝缘层退火处理；
4)在栅绝缘层上制备半导体层；
5)在半导体层上制备源电极和漏电极。
作为优选，步骤1)中对衬底的清洗方法为：依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声波清洗15分钟。
作为优选，步骤3)中对栅极绝缘层退火处理的方法为：在氮气中置于高温环境下退火处理。高温环境可以为200-300℃的其中一个温度。
作为优选，所述栅电极和源、漏电极采用电子束蒸镀工艺或磁控溅射工艺制备得到。栅极绝缘层采用磁控溅射工艺制备得到。
作为优选，所述栅电极、栅极绝缘层、半导体层、源电极和漏电极均通过光学掩膜版或者金属掩膜版制备成所需的形状。其中，当半导体层为有机半导体时，栅电极、栅极绝缘层、半导体层、源电极和漏电极均通过金属掩膜版制备成所需的形状；当半导体层为非晶IGZO薄膜层时，栅电极、栅绝缘层、半导体层、源电极和漏电极可以采用金属掩膜版或光学掩膜版形成所需形状。
发明的有益效果是：1.本发明以薄膜晶体管为基础，整体呈片状结构，厚度薄，弯曲灵活，且衬底可以选择为柔性材料，可以方便地将氢气传感器贴附在气瓶或输气管道表面上使用，机械特性好，对应用环境的限制较小；2.本发明中，源电极和漏电极由可吸收氢气的金属材料制成，且本方案选用的金属材料具有较高的氢气溶解度，进而提高检测灵敏度高，响应速度快，通过源电极和漏电极对氢气的吸收从而产生响应，且金属材料对氢气有较高的识别度进而达到针对性强，不易受其他气体的干扰，检测结果可靠性高的效果；3.本发明中，对源电极和漏电极进行改进，源电极和漏电极之间采用多指形态交叉布置，在有限的空间内增大了输出电流，在检测氢气时能够实现更大的电流变化；4.本发明结构简单，无需复杂而精密的光学组件和电子组件，制备简单，制造和维护成本低。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为当半导体层为有机半导体层时氢气传感器对不同浓度氢气的动态响应示意图。
图3为当半导体层为非晶IGZO薄膜层时氢气传感器对不同浓度氢气的动态响应示意图。
图4为本发明实施例2的结构示意图。
图中：1、衬底，2、栅电极，3、栅极绝缘层，4、半导体层，5、第一条状基体，6、第一延伸部，7、第一电极片，8、第一连接体，9、第二条状基体，10、第二延伸部，11、第二电极片，12、第二连接部，13、引出导线，14、第三电极片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
实施例1：
如图1所示，一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，包括自下而上依次布置的衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3以及半导体层4、源电极和漏电极置于半导体层4表面。
源电极和漏电极由可吸收氢气的金属材料制成。本方案中，源电极和漏电极由金属钯或铂制成。金属钯或铂具有较强的氢气吸收能力。因其较高的氢气溶解度，可实现传感器较高的灵敏度。且对氢气具有较好的识别能力，不易受其他气体的干扰。
具体的，源电极包括设于半导体层4上的第一条状基体5和设置在第一条状基体5上的若干个第一条状延伸部6，漏电极包括设于半导体层4上的第二条状基体9和设置在第二条状基体9上的若干个第二条状延伸部10，第一条状延伸部6和第二条状延伸部10依次间隔交错排列设置。源电极和漏电极之间形成沟道。
特别值得一提的是，若干第一条状延伸部6彼此间隔且相连于第一条状基体，形成多指形态的源电极。相同的，若干个第二条状延伸部10彼此间隔且相连于第二条状基体，这样设计的好处在于增大输出电流，在检测氢气时实现更大的电流改变。
且第一条状延伸部6和第二条状延伸部10交错间隔排列设置，这种结构初始电阻更小，输出电流更大，在检测氢气时可实现更大的电流改变，提高了传感器的信噪比和灵敏度，响应速度更快。
在本方案的一实施例中，源电极和漏电极的厚度为50-100nm。
进一步的，源电极还包括第一电极片7，漏电极还包括第二电极片11，第一电极片7与第一条状基体5之间通过第一连接体8相连，第二电极片11与第二条状基体9之间通过第二连接体12相连。第一电极片7和第二电极片11作为电极的引出连接部分，用于连接外部导线。
衬底1为绝缘衬底。在一些实施例中，衬底1由柔性材料制备得到，这样的好处在于使得其可在曲面场景中得到应用。柔性材料可以是柔性聚合物薄膜。当然，衬底1还可为玻璃或SiO2-Si衬底的一种。
栅极绝缘层3的厚度为40-160nm。优选的，栅极绝缘层3由高k值的氧化物制成。其中k值代表材料的介电常数，k值越高，电容越大，材料的储电能力越强，栅极绝缘层3选用高k值的材料，在同等电压下，可以在沟道中形成更高浓度的电荷，因此沟道也就更容易导通，开启沟道所需的电压就可以更小，也就降低了对工作电压的要求。本方案中，k大于3.9。
半导体层4的厚度为40-60nm。本实施例中，半导体层4为有机半导体层。
半导体层4可选用多晶有机半导体pentacene并五苯或非晶IGZO薄膜。两者均可实现低温条件下的大面积制备，与现有CMOS工艺兼容。且非晶IGZO薄膜具有良好的均匀性，使得最终器件表现出良好的均匀性。本实施例中，半导体层为有机半导体层。
本发明中的氢气传感器的工作原理如下：源漏电极吸收氢气后，氢气分子会在金属中分解为氢原子，1)氢原子扩散至金属电极与半导体界面时，在内建电场作用下氢原子在界面形成偶极子层，该偶极子层提高了空穴从电极注入沟道的势垒高度，使得门限电压升高，电流变小；2)源电极和漏电极吸收氢气后体积膨胀，影响了电极接触并增大了串联电阻，使得输出电流变小；3)源电极和漏电极吸收氢气后体积膨胀，压缩了晶体管沟道，降低了沟道中载流子迁移率，使得输出电流变小。以上3种因素的共同作用，使得有机薄膜晶体管在遇到氢气后，输出电流变小，根据电流的变化即可测出氢气的浓度大小。
本发明在工作过程中，上述三种方式共同作用，当氢气浓度发生变化时，能够形成较为明显的电流变化，从而提高了探测的灵敏度。本发明在常温下即可实现对氢气的浓度探测，降低了对温度的要求。
本发明中，对源电极和漏电极的形状进行改进，源电极和漏电极之间形成迂回弯折的沟道，其初始电阻更小，输出电流更大，在检测氢气时可实现更大的电流改变，提高了传感器的信噪比和灵敏度，且响应速度更快。此外，工作时电极两侧可同时注入载流子，进一步增大了电流，提高了灵敏度。并且，电极吸收氢气后膨胀，电极两侧同时对沟道施加应力，更高效的影响器件的电学特性，提高灵敏度。
本实施例还进行薄膜晶体管氢气传感器的动态响应实验，实验在室温条件下进行，结果如图2所示，其中横坐标为时间，纵坐标为源漏电流。实验时，源电极接地，漏电极和栅电极均施加-3V的电压时，传感器交替暴露在浓度变化的氢气和空气中，氢气浓度变化从200ppm到15000ppm，暴露在氢气和空气中的时间分别为120秒和180秒，实验得到半导体层为有机半导体层时氢气传感器对不同浓度氢气的动态响应示意图，从图2中可以看到：传感器暴露在氢气中时，电流迅速减小，阻断氢气，并重新通入空气后，电流恢复。传感器可对最小浓度为200ppm的氢气做出响应。而氢气的可燃浓度范围为4％～75％，因此在实际生产生活中，采用该传感器监测氢气泄露是安全可靠的。图中，传感器对于浓度为10000ppm的氢气，灵敏度(电流的变化)可达72％，响应时间(电流变化达到最大变化量的90％处)仅为12秒。综合上述实验结果分析，本发明具有灵敏度高、响应时间快的优点。
一种基于薄膜晶体管的氢气传感器的制备方法，包括如下具体步骤：
1)对衬底进行清洗，然后干燥；在清洗时，将衬底依次放入丙酮、乙醇和去离子水中超声波清洗一段时间，可以是10-20分钟，在本方案中选择为15分钟。
2)在衬底表面制备栅电极；栅电极通过电子束蒸镀工艺或磁控溅射工艺制备得到，并通过光学掩膜版制备成所需的形状。
3)在栅电极上制备栅极绝缘层，并对栅极绝缘层退火处理；退火的具体方法为：在惰性气体且置于高温环境下退火处理一段时间。具体的，可在氮气中200℃环境下退火处理20分钟。栅极绝缘层3采用磁控溅射工艺制备。
4)在栅绝缘层上制备半导体层。本实施例中，半导体层为有机半导体层，采用真空热蒸发工艺制备。
5)在半导体层上制备源电极和漏电极。源电极和漏电极均通过电子束蒸镀工艺或磁控溅射工艺制备。本实施例中，半导体层为有机半导体层时，栅电极、栅绝缘层、半导体层、源电极和漏电极全都采用金属掩膜版形成所需形状。
关于制备得到的氢气传感器的结构同前所述。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中，半导体层为非晶IGZO薄膜层。当半导体层为非晶IGZO薄膜层时，其工作原理如下：源漏电极吸收氢气后，氢气分子会在金属中分解为氢原子，氢原子扩散至金属电极与半导体界面时，在内建电场作用下氢原子形成偶极子层，该偶极子层降低了电子从电极注入IGZO沟道的势垒高度，使得电子更容易通过界面，输出电流变大，根据电流的变化即可测出氢气的浓度大小。非晶IGZO薄膜层为金属氧化物，稳定性好，不容易受到湿度等影响，不容易退化，可实现更长寿命。且IGZO载流子迁移率高，可实现更大电流输出，减小外围信号放大的要求。实施例2的其余结构均与实施例1相同。
在制备方法过程中，步骤4)中采用磁控溅射工艺在栅绝缘层3上制备非晶IGZO薄膜层。
本实施例中，半导体层为非晶IGZO薄膜层，栅电极、栅绝缘层、半导体层、源电极和漏电极可以采用金属掩膜版或光学掩膜版形成所需形状。
本实施例还进行薄膜晶体管氢气传感器的动态响应实验，实验在室温条件下进行，结果如图3所示，其中横坐标为时间，纵坐标为源漏电流。实验时，源电极接地，漏电极和栅电极均施加+6V的电压时，传感器交替暴露在浓度变化的氢气和空气中，氢气浓度变化从200ppm到15000ppm，暴露在氢气和空气中的时间分别为180秒和240秒，实验得到半导体层为非晶IGZO薄膜时氢气传感器对不同浓度氢气的动态响应示意图如图3，从图3中可以看到：传感器暴露在氢气中时，电流迅速增大，阻断氢气，并重新通入空气后，电流恢复。传感器同样可对最小浓度为200ppm的氢气做出响应。图中，传感器对于浓度为10000ppm的氢气，灵敏度可达29％，响应时间为80秒。非晶IGZO薄膜晶体管有着更好的器件均匀性，更高的热稳定性，和更长的使用寿命，更适合于恶劣环境下，如金属冶炼车间，氢燃料发动机等场景。
实施例3：
如图4所示，实施例3与实施例1的区别在于，实施例3中，漏电极为圆形，源电极为圆环形，漏电极设置在源电极的中心，漏电极与源电极之间形成圆环状的沟道，漏电极和源电极均设置于半导体层表面。上述结构的好处在于：传统的电极结构中，通常会存在拐角区域，而在电极的拐角区域中很容易形成电场拥挤，该区域的电场强度会远高于其他地方，因此器件容易在这个点击穿损坏。而本发明中，由于漏电极与源电极分别为圆形和圆环形结构，不能存在尖角或者拐角区域，不会形成局部电场拥挤的现象，电场在源电极和漏电极间能够均匀分布，可大幅提高器件的承压能力，并且由于传感器在工作中，偏压是一直加着的，选用该结构，可有效提高器件寿命。为了便于源电极与外部导线的连接，源电极上连接有引出导线13，引出导线与第三电极片14相连，第三电极片14设置在栅极绝缘层3上。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，其特征在于，包括自下而上依次布置的衬底、栅电极、栅极绝缘层以及半导体层，所述半导体层为有机半导体层或非晶IGZO薄膜层，源电极以及漏电极置于半导体层表面，源电极和漏电极由可吸收氢气的金属材料制成；源电极和漏电极由金属钯或铂制成；源电极包括设于半导体层上的第一条状基体和设置在第一条状基体上的若干个第一条状延伸部，漏电极包括设于半导体层上的第二条状基体和设置在第二条状基体上的若干个第二条状延伸部，第一条状延伸部和第二条状延伸部交错间隔排列设置；所述源电极还包括第一电极片，漏电极还包括第二电极片，第一电极片与第一条状基体之间通过第一连接体相连，第二电极片与第二条状基体之间通过第二连接体相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，其特征在于，半导体层的厚度为40-60nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，其特征在于，源电极和漏电极的厚度为50-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，其特征在于，栅极绝缘层由高k值的氧化物制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器，其特征在于，应用于曲面场景。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1)对衬底进行清洗，然后干燥；
2)在衬底表面制备栅电极；
3)在栅电极上制备栅极绝缘层，并对栅极绝缘层退火处理；
4)在栅绝缘层上制备半导体层；
5)在半导体层上制备源电极和漏电极。
7.根据权利要求6所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中对衬底的清洗方法为：依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声波清洗15分钟。
8.根据权利要求6所述的一种基于薄膜晶体管的氢气传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)中对栅极绝缘层退火处理的方法为：在惰性气体氛围下高温退火处理。
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