CN117929475A - 一种1r1c集成氢气传感器结构 - Google Patents
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Abstract
一种1R1C集成氢气传感器结构，本发明属于气体传感器技术领域，包括氢敏薄膜电阻、可调记忆型电容、交流信号源、报警器，氢敏薄膜电阻与可调记忆型电容串联，交流信号源为其提供特定频率交流输入信号，本发明通过1R1C集成结构设计、气敏场效应管的集成结构设计，提出一种能保证氢气浓度报警的功能，又能消除特定干扰气体对气敏场效应管敏感特性的影响，提升了气敏场效应管的气敏选择性，提高了气敏场效应管输出信号的可靠性，通过可调记忆性电容的容值设置实现阈值调节，解决了传统报警电路架构存在的电路复杂，体积大的问题，可通过微细加工工艺实现晶圆级批量制备，可大幅减小所需配套电路尺寸与功耗，具有体积小、功耗低、响应时间快的特点。
Description
技术领域
一种1R1C集成氢气传感器结构，用于氢气浓度报警，本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种1R1C集成氢气传感器结构。
背景技术
氢是主要的新能源类型之一，且在半导体产业、核电站、环境监测等工业领域及军事领域都具有广泛的应用，但氢气分子尺寸小、扩散性强、易燃易爆，其监测与报警对氢能源及氢气的应用与安全具有重要意义，氢气传感器的主要功能即是将氢气浓度等信息转化为可识别的电学信号，可具备报警等功能。
在传感器类型方面，现今氢气传感器主要包括催化燃烧型、半导体型、电化学型、和热导型等，其中，催化燃烧型与热导型氢气传感器受原理及结构限制，内部具有高温热源，使用不当会存在爆燃危险，且存在功率高、选择性低、易中毒等瓶颈问题，因此，在未来氢气检测与报警的应用发展中受到限制；电化学型气体传感器通过氢气吸附引起的电化学反应产生的电流实现气敏响应，但在响应过程中传感器本身被不可逆消耗，在长时间或高浓度检测后，传感器寿命受到严重影响；传统金属氧化物半导体氢气传感器检测精度较高，但存在选择性差、工作温度高、功耗大、稳定性不足等问题；基于钯材料的电阻型氢气传感器具有稳定性高、选择性强、功耗低、稳定性好等优点，是未来氢气检测的重要发展方向之一；
在器件结构方面，传统钯基氢气传感器为单一电极电阻结构，并通过电路等读取电极电阻，经信号处理芯片处理后进行浓度检测与报警，系统复杂性高、尺寸大、功耗大、输出信号反应时间较长，难以满足现今氢气传感器小尺寸、低功耗、快响应的要求；
发明专利CN201711146853.6公开了一种一体化氢气传感器，包括氢敏薄膜芯片、恒温控制电路和信号处理电路，所述氢敏薄膜芯片、恒温控制电路和信号处理电路集成在同一基片上，该发明的一体化氢气传感器及其制作方法具有体积小、成本低、可靠性高等优点，但是由于该专利涉及的电路仍然较多也是难以构成小形化；
发明专利CN202210944142.8，提出了一种钯合金薄膜氢气传感器及其制备方法和使用方法，该专利用以解决氢气传感器中温度传导不均匀、金属器件易与氢气发生反应的技术问题，也不能实现小型化；
专利CN1947007公开的薄膜气体传感器结构中，芯片包含了气体感测电阻、温度感测电阻、加热电阻，该专利实际上公开的是一种包含有氢气传感器的芯片结构，缺点是如果需要使用还要将其封装成为探头和设计一个传感器的电路；
专利CN105388937A公开了一种用于气体传感器的精准恒温控制方法及装置，包括敏感探头、控制盒、环境温度检测组件等模块，由于需要的检测组件较多，发明目的主要是设计精准恒温控制，所以不能成为极小型化的氢气传感器；
传统电阻型传感器报警均需通过电路实现，即通过信号读取电路，读取传感器电阻值，并通过存储与计算芯片与芯片中的预存值或算法进行比对，当获取信号值高于设定值时，再向报警器驱动电路发送信号，从而驱动报警器，整个过程需要多个芯片及相关辅助电路，信号经过多次转换，整体电路尺寸大、功耗高、响应时间慢；
综上所述，现有的技术基本不能实现极小型化的传感器设计，因此，需要通过对传感器结构设计等方式，在保证传感器功能性的前提下，设计成既能降低传感器尺寸、又有低功耗与更快的反应时间，并且还可通过微细加工工艺晶圆级，进行批量制备的集成氢气传感器。
发明内容
本发明的目的是通过1R1C集成结构设计、气敏场效应管的集成结构设计，提出一种能保证氢气浓度报警的功能，又能消除特定干扰气体对气敏场效应管敏感特性的影响、提升气敏场效应管的气敏选择性、提高气敏场效应管输出信号可靠性，并且能广泛适用于环境监测、食品安全及军事等领域的一种集成氢气传感器结构，本发明是这样实现的：
为了实现上述技术目的，本发明提出如下结构设计方案：
一种1R1C集成氢气传感器结构，包括氢敏薄膜电阻、可调记忆型电容、交流信号源、报警器，氢敏薄膜电阻与可调记忆型电容串联，交流信号源为其提供特定频率交流输入信号；
所述氢敏薄膜电阻包括正响应氢敏薄膜电阻和负响应氢敏薄膜电阻两种结构，所述正响应氢敏薄膜电阻和负响应氢敏薄膜电阻两种结构将根据氢敏薄膜在暴露于氢气环境中后电阻变化情况而确定选择使用，当电阻较其在空气中的电阻上升时就选择正响应氢敏薄膜电阻，当电阻下降时选择负响应氢敏薄膜电阻；
所述正响应氢敏薄膜电阻结构的连接关系为：所述报警器的一端连接在正响应氢敏薄膜电阻与可调记忆型电容1的连接点上，报警器的另一端经过正响应氢敏薄膜电阻的另一端后与交流信号源连接，并接地。
所述负响应氢敏薄膜电阻结构的连接关系为：所述负响应氢敏薄膜电阻一端连接交流信号源，另一端与可调记忆型电容连接，报警器一端连接在负响应氢敏薄膜电阻与可调记忆型电容的连接点上，报警器的另一端连接在可调记忆型电容的另一端后与交流信号源连接，并接地。
优选地，所述氢敏薄膜电阻材料为金属钯及其与镍、钴、金、钌中的一种或多种金属形成的合金或分层复合材料。
优选地，所述氢敏薄膜电阻的薄膜厚度小于100nm，电阻小于5kΩ。
优选地，所述可调记忆型电容的介电材料为氧化锆、氧化硅、氧化铪及其复合材料。
优选地，所述可调记忆型电容的电容值大小介于0.1pF至5nF之间。
优选地，所述可调记忆型电容的电容值可通过外调制脉冲信号调制，并具有电容值记忆保持功能，且可通过擦除信号恢复至初值电容值。
优选地，所述交流信号源频率值为氢敏薄膜电阻、可调记忆型电容的初始值所构成的RC滤波电路的截止频率。
优选地，所述交流信号源信号为正弦交流信号或占空比不大于0.5的方波信号或脉冲信号。
优选地，所述报警器的驱动交流信号源的信号均方根电压值≥70.7％。
本发明的有益技术效果：
1、本发明所述集成氢气传感器结构，具有体积小、功耗低、响应时间快的特点，可通过微细加工工艺晶圆级批量制备，可大幅减小所需配套电路尺寸与功耗。
2、本发明设计了传感器电阻正响应结构和传感器电阻负响应结构两种结构，可适用于高通RC滤波结构和低通滤波结构的传感器，具有在截止频率低于交流信号源频率，输出信号幅值上升至可驱动报警器电压，触发报警器，实现报警，或者截止频率高于交流信号频率，使输出信号幅值增大，也可以驱动报警器的特点。
3、在传感器电阻正响应结构和传感器电阻负响应结构中都设计有可调记忆性电容和电阻，由于可调记忆性电容容值C与电阻为乘积关系，因此可通过电刺激方式调节可调记忆性电容容值，调节截止频率与薄膜电阻间的关系，从而实现报警浓度的调节。
4、本发明提出的结构可通过模拟信号RC滤波原理，直接调制报警器驱动信号，从而大幅简化传感信号至报警器间的信号转换流程，并且可通过可调记忆性电容的容值设置实现阈值调节，解决了传统报警电路架构存在的电路复杂，体积大的问题。
附图说明
图1为本发明1R1C集成氢气传感器电阻(a)正响应结构原理图；
图2为本发明1R1C集成氢气传感器电阻(b)负响应结构原理图；
图3为本发明集成氢气传感器结构侧截面示意图；
图4为本发明集成氢气传感器结构俯视图；
图5为本发明集成氢气传感器输出强度与频率的关系谱图；
图6为本发明在不同电容值、电阻正响应(a)和电阻负响应(b)的输出波形图。
具体实施方式：
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图给出本发明的实施例：
图例说明：
1：可调记忆型电容；1-1：可调记忆型电容上电极；1-2：可调记忆型电容介电层；1-3：可调记忆型电容下电极；2：正响应氢敏薄膜电阻；2-1：氢敏电阻电容端电极；2-2：氢敏电阻薄膜；2-3：氢敏电阻地端电极；3：交流信号源；4：报警器；5：负响应氢敏薄膜电阻；6：硅衬底；7：氧化硅绝缘层。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图给出本发明的实施例：
实施例1：本发明的原理
参见附图1和2：本发明所述结构的技术原理利用了RC集成滤波电路的滤波特性，将氢气吸附引起的薄膜电阻变化转化为滤波电路对信号幅值的影响，具体原理为：RC滤波电路的截止频率计算方法为f＝1/(2πRC)，其中f为截止频率、R为薄膜电阻值、C为可调记忆型电容的电容值；当氢敏薄膜电阻暴露于不同浓度的氢气时，其电阻值会发生变化，根据材料及材料形态不同，电阻值升高的薄膜电阻称为正响应薄膜电阻，电阻值降低的薄膜电阻称为负响应薄膜电阻；正响应薄膜电阻与负响应薄膜电阻分别适用于本发明中所述的正响应结构与负响应结构。对于电阻正响应结构，为高通RC滤波结构，在初始状态下(环境氢气浓度为0)，设置交流信号源频率略低于截止频率，处于截止状态，输出信号电压低于报警器4驱动电压，无法驱动报警器4，当暴露于氢气时，薄膜电阻R上升，截止频率f降低，当氢气浓度至目标浓度时，薄膜电阻上升至一定值，截止频率低于交流信号源频率，输出信号幅值上升至可驱动报警器电压，触发报警器，实现报警。电阻负响应结构与正响应结构相反，为低通滤波结构，初始状态下设置交流信号略高于截止频率，处于截止状态，当暴露于氢气时，薄膜电阻R下降，截止频率f升高，当氢气浓度达到目标浓度后，截止频率高于交流信号频率，使输出信号幅值增大，驱动报警器；通过上述原理可实现报警器的阈值报警；此外，上述过程均为当可调记忆性电容1容值固定时的过程，由于可调记忆性电容1容值C与电阻为乘积关系，因此可通过电刺激方式调节可调记忆性电容1的容值，调节截止频率与薄膜电阻间的关系，从而实现报警浓度的调节。
本发明提出的结构可通过模拟信号RC滤波原理，直接调制报警器驱动信号，因此可大幅简化传感信号至报警器间的信号转换流程，并且可通过可调记忆性电容的容值设置实现阈值调节。
实施例2：本发明结构及连接关系
参见附图1、2、3和4，本发明设计的一种1R1C集成氢气传感器结构，本实施例为氢气传感器电阻正响应结构，从图3和图4可以看到，氢气传感器电阻正响应结构包括可调记忆型电容上电极1-1、可调记忆型电容介电层1-2、可调记忆型电容下电极1-3、氢敏电阻电容端电极2-1、氢敏电阻薄膜2-2、氢敏电阻地端电极2-3、交流信号源3、报警器4、硅衬底6，和氧化硅绝缘层7。
一种1R1C集成氢气传感器结构，包括氢敏薄膜电阻、可调记忆型电容1、交流信号源3、报警器4，所述氢敏薄膜电阻(2-2)与可调记忆型电容串联，交流信号源3为其提供特定频率交流输入信号；
所述氢敏薄膜电阻(2-2)包括正响应氢敏薄膜电阻2和负响应氢敏薄膜电阻5两种结构；
所述正响应氢敏薄膜电阻2结构的连接关系为：报警器4一端连接在正响应氢敏薄膜电阻与可调记忆型电容1的连接点上，报警器4的另一端经过正响应氢敏薄膜电阻2的另一端后与交流信号源连接，并接地。
本发明所述负响应氢敏薄膜电阻5结构的连接关系为：负响应氢敏薄膜电阻5一端连接交流信号源3，另一端与可调记忆型电容1连接，报警器4一端连接在负响应氢敏薄膜电阻5与可调记忆型电容1的连接点上，报警器4的另一端连接在可调记忆型电容1的另一端后与交流信号源3连接，并接地。
实施例3：本发明的材料及相关参数
本实施例中，氢气传感器电阻为钯镍合金，厚度为20nm，未响应时电阻为200Ω，当气体浓度为1％时，电阻为400Ω，气体浓度为2％时，电阻为600Ω。氢气传感器电阻电极及可调记忆型电容上、下电极1-1和1-3均为金薄膜，可调记忆型电容1的介电层1-2材料为氧化铪，厚度为10nm，电容可调范围为0.5～1nF，在本实施例中先设置为0.5nF、0.8nF两档；包括氢气传感器电阻在内的所有金属材料通过磁控溅射工艺制备，介电层材料通过原子层沉积工艺制备；Hz交流信号源3频率为318471Hz，正弦信号均方根幅值为5V。
根据上述参数设计，该集成结构氢气传感器输出强度与频率的关系谱图如图5所示，当RC谐振频率为高频时，输出强度为1，当谐振频率为低频时，输出强度为0。
实施例4：本发明在不同电阻值时的报警响应
不同可调记忆电容容值、不同响应电阻下本实施例所涉及结构输出波形如图6所示；在可调记忆型电容值为0.5nF的条件下，当电阻处于未响应状态时，电阻值为200Ω，输出信号电压最大幅值为1V；当氢气传感器电阻随氢气浓度的变化，其电阻逐渐上升变化为400、600Ω时，输出电压幅值逐渐增加；当氢气浓度达到2％、薄膜电阻达到600Ω时，输出电压最大幅值为3.82V，超过交流信号源3的信号电压值的70.7％(即5V*70.7％＝3.54V)，报警器被驱动，从而产生报警信号，也就是当氢气浓度达到2％时，即可触发报警器。
而随着可调记忆型电容值的调整，阈值频率发生变化，可驱动报警器的电阻值也随之发生变化；比如：在可调记忆型电容1的值为0.8nF的条件下，当电阻处于未响应状态时，电阻值为200Ω输出信号电压最大幅值为2.16V；当氢气浓度达到1％、薄膜电阻达到400Ω时，输出电压最大幅值为3.81V，超过信号源的信号电压值的70.7％(即5V*70.7％＝3.54V)，报警器被驱动，从而产生报警信号；因此在氢气浓度为1％时，即可触发报警器；表明可通过调节可调记忆型电容值实现报警阈值的调整。
Claims (9)
1.一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述1R1C集成氢气传感器结构包括氢敏薄膜电阻(2-2)、可调记忆型电容(1)、交流信号源(3)、报警器(4)，氢敏薄膜电阻与可调记忆型电容(1)串联，交流信号源(3)为其提供特定频率交流输入信号；
所述氢敏薄膜电阻(2-2)包括正响应氢敏薄膜电阻(2)和负响应氢敏薄膜电阻(5)两种结构；
所述正响应氢敏薄膜电阻(2)和负响应氢敏薄膜电阻(5)两种结构依据氢敏薄膜在暴露于氢气环境中后电阻变化情况而确定选择使用；
所述正响应氢敏薄膜电阻(2)串联结构的连接是将所述报警器(4)的一端连接在正响应氢敏薄膜电阻(2)与可调记忆型电容(1)的连接点上，报警器(4)的另一端经过正响应氢敏薄膜电阻(2)的另一端后与交流信号源(3)连接，并接地；
所述负响应氢敏薄膜电阻(2)的结构是将所述负响应氢敏薄膜电阻(5)的一端连接交流信号源(3)，另一端与可调记忆型电容(1)连接，报警器(4)的一端连接在负响应氢敏薄膜电阻(5)与可调记忆型电容(1)的连接点上，报警器(4)的另一端连接在可调记忆型电容(1)的另一端后与交流信号源(3)连接，并接地。
2.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述氢敏薄膜电阻(2-2)的材料为金属钯及其与镍、钴、金、钌中的一种或多种金属形成的合金或分层复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述氢敏薄膜电阻(2-2)的薄膜厚度小于100nm，电阻小于5kΩ。
4.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述可调记忆型电容(1)的介电材料为氧化锆、氧化硅、氧化铪及其复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述可调记忆型电容(1)的电容值大小介于0.1pF至5nF之间。
6.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述可调记忆型电容(1)的电容值可通过外调制脉冲信号调制，并具有电容值记忆保持功能，可通过擦除信号恢复至初值电容值。
7.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述交流信号源(3)频率值为氢敏薄膜电阻(2-2)、可调记忆型电容(1)的初始值所构成的RC滤波电路的截止频率。
8.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述交流信号源(3)的信号为正弦交流信号，或占空比不大于0.5的方波信号或脉冲信号。
9.根据权利要求1所述的一种1R1C集成氢气传感器结构，其特征在于：所述报警器(4)的驱动交流信号源的信号均方根电压值≥70.7％。
Priority Applications (1)
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| CN202311345598.3A CN117929475A (zh) | 2023-10-16 | 2023-10-16 | 一种1r1c集成氢气传感器结构 |
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