一种微型空间氢探测微传感器及其制备方法与流程

本发明属于气体浓度探测技术领域，具体涉及一种微型空间氢探测微传感器及其制备方法。

背景技术：

空间环境中h元素的丰度为95％，h元素的探测对于揭示宇宙起源、验证大爆炸理论及宇宙红移理论具有重要的学术价值及科学意义。原子氢是上层空间环境大气成分中最主要的中性成分，其成分变化对于超高层大气物理学、太阳物理学都有重要的意义，例如，大气化学、等离子体与中性粒子耦合过程、磁层的能量耗散过程以及地磁风暴都与其有关。另外，作为大气环境中最轻的中性成分，原子氢对于脱离行星引力所需要的能量最低，据估计地球中氢原子逃逸到外层空间中的速度大约为10⁸cm^-2s^-1，从长远看对于大气演化过程具有深远的意义。

不同于地面环境中氢是以氢气的形式存在，空间环境中的氢元素存由于受等离子体环境中的高能电子及太阳光的辐射作用下，是以单原子h或者h2两种状态存在，并且浓度非常低，只有10¹¹个/m³,因此利用常规方法很难进行氢气检测。因此氢原子探测尤其在轨原位探测技术在国际上属于较难解决的问题。

最近几年随着世界各国对空间环境及空间科学认知能力的提升以及相关探测技术的不断发展，对于地球轨道环境中氢元素探测需求不断提高，例如，2016年jianqiqin和larawaldrop等人在naturecommunications上发表的关于地球地冕中h原子浓度的探测结果，该项研究对于揭示在太阳不同活动周期内的氢原子分布状态进行详细的研究并进行分析。报道中指出，氢元素探测的手段是以太阳最为背景，通过对h原子吸收能量后所发射出的特定波长的光谱进行探测。因此，国外对氢原子的探测通常利用大功率的高频射电望远镜在地面进行遥感探测或者利用航天飞机以及大型卫星搭载复杂的光学成像系统对氢元素进行探测。例如，通过射电望远镜观测氢原子中的超精细结构21cm禁戒跃迁所发射的射电辐射来探测氢原子。这类观测一般适用于低红移的中性氢观测。另一种中性氢的观测方法是利用高红移的天体作为背景光源，当这些光源天体在视线方向存在中性氢云时，中性氢云会在光源天体的连续谱上产生吸收线，然后根据吸收线的特征来推断中性氢吸收体的性质。另外，例如美国1957年首次从火箭上搭载的地冕扫描成像仪对地球大气层氢原子密度进行探测，该项研究对于揭示地冕最外层环境中h浓度具有重要的意义。卫星通过搭载guvi光谱成像仪度一个太阳活动周期内的地冕气辉进行成像分析，获得了目前地冕环境中最为准确的h原子随太阳活动周期波动的详细数据。

微纳卫星星座式立体分布和实时探测等特点，非常适合作为空间氢探测的搭载平台。目前我国已经开始利用微纳卫星平台进行空间氢探测。但是，由于微纳卫星的重量轻、体积小、功耗低和寿命短等自身特点，其对于载荷的体积、重量和功耗等方面的有了严格限制。因此，研制探测精度高、低功耗、小体积的微传感器技术是实现微纳卫星氢探测技术的关键。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种微型空间氢探测微传感器及其制备方法，可以获得更高的信号强度，提高探测精度；制备方法简单易于实施。

一种微型空间氢探测微传感器，包括基底以及其上的氢敏感薄膜、测温电阻以及加热电阻；所述氢敏感薄膜为丝状，迂回分布在所述基底上；所述加热电阻靠近所述氢敏感薄膜分布；所述氢敏感薄膜的材料为钯镍合金材料。

进一步的，还包括焊盘，用于焊接所述氢敏感薄膜、测温电阻以及加热电阻的引线。

较佳的，所述测温电阻以及加热电阻采用pt电阻。

较佳的，所述测温电阻和加热电阻用于将所述氢探测微传感器的温度保持在20℃～50℃范围内。

一种微型空间氢探测微传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、采用氧化硅制作基底，并进行清洗和干燥处理：

步骤2、在所述基底上沉积si3n4薄膜；

步骤3、在所述si3n4薄膜上制备测温电阻和温控电阻；

步骤4、按照测温电阻和温控电阻的图形，分别在两者上表面沉积si3n4薄膜；

步骤5、在所述基底上制备pdni氢敏感薄膜；

步骤6、在所述pdni氢敏感薄膜上制备sio2保护层。

进一步的，完成步骤6后，在所述基底上制备焊盘。

较佳的，所述步骤5中，首先采用光刻技术在基底上形成pdni氢敏感薄膜图形；然后再采用磁控溅射方法在pdni氢敏感薄膜图形上沉积80nm的pdni薄膜。

较佳的，所述步骤3中，首先采用光刻技术在基底上形成测温电阻和温控电阻图形；然后再采用磁控溅射方法在图形上沉积80nm的pt薄膜。

较佳的，所述步骤6中，首先采用光刻技术在pdni氢敏感薄膜上形成sio2保护层图形；然后再采用磁控溅射方法在图形上沉积50nm的sio2薄膜。

较佳的，完成步骤6以后，进行气氛退火热处理，具体为：将样品置于真空退火炉中加热至300℃保温2h，其中加热和降温阶段通入高纯氮气，保温阶段通入2％氢气浓度的氮氢混合气。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用钯镍合金体系作为氢敏感材料，制备钯镍合金电阻氢气敏感器，加工技术简单并易于集成，并有效解决了纯钯作为氢敏感材料的过吸附，拖尾现象和敏感薄膜脱落等缺点；本发明钯镍氢敏感材料设计为图形化的折线形丝状薄膜结构，相对于纯钯材料，钯镍氢敏感薄膜内部可以产生更多的敏感位点以及在微结构中产生空腔及凹陷等，在一定程度上增大了钯镍氢敏感薄膜的比表面积，可以获得更高的信号强度，这是同等条件下其它氢传感器所不能比拟的；该传感器属于空间氢原子原位微型探测器重要组成部分，能够搭载在微纳卫星平台上，探测出极低浓度的氢原子浓度，并且功耗低、体积小、重量轻。

本发明中，在测温电阻和温控电阻的上下表面均沉积氢阻隔层，可以避免氢从基底一侧透过基底而扩散进入pt测温电阻和温控电阻，从而引起pt电阻阻值变化，由此提高探测精度；在氢敏感薄膜上表面沉积sio2保护层，可以阻挡其他气体和水汽对传感器产生影响和干扰；进一步提高测量精度。

附图说明

图1是微型空间氢探测微传感器基本结构图；

图2是微型空间氢探测微传感器制备工艺流程图。

其中，1-基底，2-测温电阻，3-加热电阻，4-pdni氢敏感薄膜，5-焊盘。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种微型空间氢探测微传感器，该传感器包括氧化硅基底1、pdni氢敏感薄膜4、测温电阻2、加热电阻3、焊盘5，传感器的外形尺寸为3.5mmx3.5mmx0.5mm，如图1所示。该传感器通过测量吸附氢之后敏感薄膜的电阻变化可以定量的获得氢浓度，其中测温电阻2和加热电阻3保证传感器在空间环境中的工作温度在20℃～50℃范围内，同时用于传感器吸氢后的快速脱氢恢复。

所述基底1采用氧化硅材料，用于整个传感器的承载；

所述传感器上的测温电阻2采用pt材料，pt测温电阻2为迂回线形状，pt测温电阻2主要用于测量传感器的环境温度和工作温度，pt测温电阻2薄膜为100方，电阻值为100ω；

所述传感器上的加热电阻3采用pt材料，pt加热电阻3为迂回线形状，保证传感器在空间环境中的工作温度在20℃～50℃范围内，同时用于传感器吸氢后的快速脱氢恢复。pt加热电阻3薄膜为75方，电阻值为85ω；

所述氢敏感薄膜4采用pdni合金材料，用于氢测量。pdni氢敏感电阻为迂回线形状，pdni氢敏感电阻薄膜为95方，电阻值为750ω；为节省空间，同时为了使得传感器吸氢后的快速脱氢恢复，加热电阻3靠近所述氢敏感薄膜4分布，且两者具有相同的迂回形状。

所述焊盘5采用金材料，用于焊接引线，用于供电和数据传输。

本发明的微型空间氢探测微传感器制备方法包括如下具体步骤：

步骤1、氧化硅基片处理：

将氧化硅基片1分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗15min，用n2气体吹干硅片表面水分。

步骤2、si3n4薄膜的沉积：

将氧化硅基片1置于真空室中，通过分子泵将本底真空度抽至8x10^-4pa以下，首先通入30sccm的高纯氩气，将气压调至1pa后开启射频源，调节射频源功率为200w，预溅射硅靶15min后，通入5sccm的高纯氮气，反应磁控溅射15min，在氧化硅基底上沉积一层厚度约50nm的si3n4作为氢的阻挡层，避免氢从基底一侧透过基底而扩散进入pt测温电阻和温控电阻，从而引起pt电阻阻值变化。

步骤3、pt测温电阻2和温控电阻3的制备：

采用4000a正性光刻胶，在甩胶台上以3000r/min均匀甩胶，光刻胶厚度在2～3um之间，随后烘烤90s坚膜，用光刻机曝光4s，随后置于显影液中45s，去离子冲洗后形成pt测温电阻2和温控电阻3的图形；在图形上采用直流磁控溅射沉积一层厚度约80nm的pt薄膜并剥离光刻胶形成pt测温/温控电阻。

步骤4、si3n4薄膜的沉积：

采用4000a正性光刻胶，在甩胶台上以3000r/min均匀甩胶，光刻胶厚度在2～3um之间，随后烘烤90s坚膜，用光刻机曝光4s，随后置于显影液中45s，去离子冲洗后形成si3n4阻挡层的图形；其中，与测温电阻和温控电阻的图形一致；采用磁控溅射在si3n4阻挡层的图形上沉积一层厚度约50nm的si3n4作为pt测温/温控电阻的氢阻挡层，由此，在测温电阻和温控电阻的上下两面形成了完整的氢阻挡层，避免氢与pt作用引起pt测温/温控电阻阻值变化。

步骤5、pdni氢敏感薄膜4的制备：

采用4000a正性光刻胶，在甩胶台上以3000r/min均匀甩胶，光刻胶厚度在2～3um之间，随后烘烤90s坚膜，用光刻机曝光4s，随后置于显影液中45s，去离子冲洗后形成pdni敏感薄膜4的图形；采用直流磁控溅射技术在pdni敏感薄膜4图形上沉积一层厚度约80nm的pdni薄膜4并剥离光刻胶形成氢敏感电阻图形。

步骤6、sio2保护层的制备：

采用4000a正性光刻胶，在甩胶台上以3000r/min均匀甩胶，光刻胶厚度在2～3um之间，随后烘烤90s坚膜，用光刻机曝光4s，随后置于显影液中45s，去离子冲洗后形成sio2保护层的图形，射频磁控溅射沉积一层厚度约50nm的sio2薄膜并剥离光刻胶形成保护层图形。由于sio2保护层是多孔结构，氢分子是最小的气体分子，所以只有氢气能通过sio2保护层，其他气体和水汽无法通过，因此能达避免水汽和其他气氛对传感器产生影响和干扰。

步骤7、焊盘5的制备：

采用4000a正性光刻胶，在甩胶台上以3000r/min均匀甩胶，光刻胶厚度在2～3μm之间，随后前烘90s坚膜，用光刻机曝光4s，随后置于显影液中45s，去离子冲洗后形成金焊盘的图形，磁控溅射沉积一层厚度约280nm的au薄膜并剥离光刻胶形成金焊盘。其中，测温电阻和温控电阻以及pdni敏感薄膜的两端的位置形成焊盘，用于供电和传输信号。

步骤8、气氛退火热处理：

将样品置于真空退火炉中加热至300℃保温2h，其中加热和降温阶段通入高纯氮气，保温阶段通入2％氢气浓度的氮氢混合气。

步骤9、切片得到分离的传感器芯片。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。