一種高穩(wěn)定性薄膜氫氣傳感器及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氫氣傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高穩(wěn)定性薄膜氫氣傳感器及其使 用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氫氣是主要的工業(yè)原料，也是最重要的工業(yè)氣體和特種氣體，在石化、冶金、半導(dǎo) 體以及電力行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 與常規(guī)氣體相比，氫氣有著很多不利于安全的屬性。氫氣在空氣中的爆炸范圍更 寬（4%~75% vol)、著火能更低（0. 019mJ)、更容易泄漏、更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?。因此?氫氣泄漏和爆炸是引起安全事故的重要原因之一，需要對氫氣使用環(huán)境中的氫氣濃度進(jìn)行 檢測并對其泄漏進(jìn)行監(jiān)測。
[0004] 氫氣傳感器是氫氣濃度測量和氫氣泄漏監(jiān)測的特種傳感器。
[0005] 傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，例如，H2SCAN公司在中國專利CN1947007B薄膜氣體傳 感器結(jié)構(gòu)中，介紹了一種基于鈀-鎳合金的薄膜氫氣傳感器，包括用于感測小濃度氫氣的 MOS電容傳感器、用于感測大濃度氫氣的電阻傳感器、鎳薄膜溫度傳感器和薄膜加熱元件。 據(jù)稱這種薄膜氫氣傳感器實現(xiàn)了幾何結(jié)構(gòu)節(jié)約，且降低了熱損失。但該專利存在以下幾個 缺點：
[0006] 1)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，包含了 MOS電容檢測元件、參比元件、鈀-鎳薄膜電 阻元件、鎳薄膜溫度傳感器和薄膜加熱器等結(jié)構(gòu)，從而使得傳感器生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期 長，成本較高。
[0007] 2)傳感器采用單個的鈀-鎳合金電阻傳感器實現(xiàn)大濃度氫氣的感測，由于鈀-鎳 合金薄膜在工作溫度下具有固有的不穩(wěn)定性，使得傳感器表現(xiàn)出固定的漂移特性，縮短了 傳感器的標(biāo)定周期。
[0008] 3)傳感器采用單個的鈀-鎳合金電阻傳感器實現(xiàn)大濃度氫氣的感測，由于鈀-鎳 合金薄膜具有較大的電阻溫度系數(shù)，為了獲得較高的測量精度，往往只能通過提高傳感器 的控溫精度來實現(xiàn)，這顯然不是最佳的方法。
[0009] 4)傳感器采用單個的鈀-鎳合金電阻傳感器實現(xiàn)大濃度氫氣的感測，但對于小濃 度的氫氣，鈀-鎳薄膜電阻的靈敏度較小，影響了氫氣傳感器的測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高穩(wěn)定性薄膜氫氣 傳感器，該薄膜氫氣傳感器靈敏度是現(xiàn)有技術(shù)的2倍，傳感器固有不穩(wěn)定性引起的漂移和 溫度漂移可相互抵消，較為明顯的改善了傳感器的穩(wěn)定性。特別地，對于本發(fā)明的薄膜氫氣 傳感器，可明顯提高傳感器的測量精度，延長傳感器的標(biāo)定周期。
[0011] 本發(fā)明還提供一種使用薄膜氫氣傳感器測量氫氣濃度的方法。
[0012] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0013] -種高穩(wěn)定性薄膜氫氣傳感器，包括基底、設(shè)置在所述基底上的用于檢測氫氣濃 度的氫氣測量單元及用于控制所述氫氣測量單元溫度的溫度控制單元，所述氫氣測量單元 包括由多個電化學(xué)特性相同的氫敏電阻元件組成的具有4個橋臂的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，所述 4個橋臂上的氫敏電阻元件的個數(shù)相同，且在所述4個橋臂中的其中2個橋臂的氫敏電阻元 件的表面設(shè)有用于隔離氫氣的鈍化復(fù)合鍍層，所述2個橋臂為相對的2個橋臂。
[0014] 進(jìn)一步地，每個所述橋臂上的氫敏電阻元件為1個或2個。優(yōu)選地，每個所述橋臂 上的氫敏電阻元件為1個。
[0015] 優(yōu)選地，多個所述氫敏電阻元件的幾何尺寸相同。
[0016] 所述氫敏電阻元件與氫氣接觸后產(chǎn)生電阻變化，從而達(dá)到檢測氫氣的作用，而表 面設(shè)有所述鈍化復(fù)合鍍層的氫敏電阻元件通過所述鈍化復(fù)合鍍層實現(xiàn)了與氫氣的物理隔 離，因此，不對氫氣敏感，在與氫氣接觸后不會產(chǎn)生電阻變化。
[0017] 優(yōu)選地，制作所述氫敏電阻元件的材料選自對氫氣具有催化作用的金屬材料，優(yōu) 選鈀-鉻合金、鈀-金或鈀-鎳合金。
[0018] 本發(fā)明的薄膜氫氣傳感器的一個優(yōu)選實施例中，所述鈍化復(fù)合鍍層包括依次設(shè)置 在所述氫敏電阻元件表面的絕緣介質(zhì)膜、鈍化金屬膜和陶瓷介質(zhì)膜。
[0019] 制作所述絕緣介質(zhì)膜的材料選自絕緣特性優(yōu)良的介質(zhì)材料，優(yōu)選二氧化硅、氮化 硅中的一種或二者的混合物。
[0020] 制作所述鈍化金屬膜的材料選自不易吸附氫氣分子、溶解氫氣分子的金屬材料， 優(yōu)選金、銅、銀等金屬。
[0021] 制作所述陶瓷介質(zhì)膜的材料選自阻氫特性優(yōu)異或者說氫氣分子擴(kuò)散系數(shù)較小的 材料，優(yōu)選碳化硅、氧化鋁等，最優(yōu)選碳化硅。
[0022] 進(jìn)一步地，所述溫度控制單元包括設(shè)置在所述基底上且圍繞所述氫氣測量單元設(shè) 置的加熱元件及設(shè)置在所述基底上且圍繞所述加熱元件設(shè)置的溫度傳感元件。
[0023] 優(yōu)選地，所述加熱元件為金屬電阻式加熱電阻，其材料選自物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的 材料，優(yōu)選金或鉑。所述溫度傳感元件為金屬膜測溫電阻，其材料選自具有較高電阻溫度系 數(shù)且極其穩(wěn)定的材料，優(yōu)選鉑、鎳或銅，最優(yōu)選為鉑。
[0024] 優(yōu)選地，制作所述基底的材料選自硅或陶瓷，優(yōu)選為硅。
[0025] 本發(fā)明采取的又一技術(shù)方案是：一種使用上述薄膜氫氣傳感器測量氫氣濃度的方 法，所述方法包括：
[0026] (1)將包括有氫氣測量單元的薄膜氫氣傳感器置于包含有氫氣的氣體介質(zhì)環(huán)境 中，并保持所述氫氣測量單元在均勻、恒定的溫度環(huán)境中，使得薄膜氫氣傳感器維持最優(yōu)的 工作狀態(tài)，減小氣體介質(zhì)溫度變化帶來的影響，
[0027] 其中，所述均勻、恒定的溫度環(huán)境通過使用溫度控制單元來維持，所述溫度控制單 元包括設(shè)置在所述基底上且圍繞所述氫氣測量單元設(shè)置的加熱元件及設(shè)置在所述基底上 且圍繞所述加熱元件設(shè)置的溫度傳感元件；
[0028] (2)通過測量所述氫氣測量單元輸出的電壓信號感測氫氣濃度，所述電壓信號與 所述氣體介質(zhì)環(huán)境中的氫氣濃度變化成正比關(guān)系。
[0029] 一種上述薄膜氫氣傳感器的制備方法，包括以下步驟：
[0030] (1)將包括有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的氫氣測量單元安裝在基底上，所述惠斯通電橋結(jié) 構(gòu)由多個電化學(xué)特性相同的氫敏電阻元件組成，多個所述氫敏電阻元件的分布使得所述惠 斯通電橋結(jié)構(gòu)的4個橋臂的氫敏電阻元件的電化學(xué)特性相同，在所述4個橋臂中的其中2 個橋臂上的氫敏電阻元件的表面制作用于與氫氣隔離的鈍化復(fù)合鍍層，所述2個橋臂為相 對的2個橋臂；
[0031] (2)將加熱元件安裝在所述基底上，以使所述加熱元件圍繞所述氫氣測量單元；
[0032] (3)將溫度傳感元件安裝在所述基底上，以使所述溫度傳感元件圍繞所述加熱元 件；
[0033] (4)在所述基底上制作金屬連線和鍵合焊盤制成薄膜氫氣傳感器。
[0034] 其中，所述步驟（1)是通過光刻技術(shù)在所述基底表面形成了氫敏電阻元件的圖形 結(jié)構(gòu)，再通過熱蒸發(fā)或濺射等技術(shù)沉積氫敏合金薄膜，經(jīng)剝離清洗可得到多個橋臂電阻。同 樣的，經(jīng)光刻、蒸發(fā)或者濺射沉積技術(shù)在任意2個相對橋臂電阻表面制備鈍化復(fù)合鍍層，從 而形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的氫氣測量單元。其中，惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中兩個表面設(shè)有鈍化復(fù) 合鍍層的氫敏電阻元件通過鈍化復(fù)合鍍層實現(xiàn)了與氫氣的物理隔離，因此，不對氫氣敏感。
[0035] 由于上述技術(shù)方案的實施，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
[0036] 本發(fā)明的薄膜氫氣傳感器結(jié)構(gòu)簡單，將4個具有相同電化學(xué)特性和幾何尺寸結(jié)構(gòu) 的薄膜氫敏電阻制作在同一基底表面，組成了基于惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的氫氣測量單元。
[0037] 制作在同一基底表面的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的有益效果是將氫敏電阻元件具有的固 有不穩(wěn)定性和溫度變化所引起的漂移相互抵消，改善了薄膜氫氣傳感器的穩(wěn)定性。
[0038] 本發(fā)明的薄膜氫氣傳感器采用基于惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的氫氣測量單元，其靈敏度是 現(xiàn)有技術(shù)中單一氫敏電阻的2倍，薄膜氫氣傳感器靈敏度的提高可改善薄膜氫氣傳感器的 穩(wěn)定性，提高測量精度。
[0039] 本發(fā)明的薄膜氫氣傳感器可用于氫氣濃度檢測以及氫氣泄漏監(jiān)測等，氫氣濃度可 測范圍為〇· 005%~100% (體積分?jǐn)?shù)）。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發(fā)明薄膜氫氣傳感器的平面圖；
[0041] 圖2是本發(fā)明薄膜氫氣傳感器的氫氣測量單元的氫敏電阻元件的排布示意圖；
[0042] 圖3是本發(fā)明薄膜氫氣傳感器的鈍化復(fù)合鍍層的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖4是惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的工作原理圖；
[0044]圖5是本發(fā)明薄膜氫氣傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的氫氣測量單元的工作原理圖；
[0045] 圖6為傳統(tǒng)技術(shù)傳感器的檢測原理圖；
[0046] 圖中：1、基底；2、氫氣測量單元；21、氫敏電阻元件；22、鈍化復(fù)合鍍層；22a、絕緣 介質(zhì)膜；22b、鈍化金屬膜；22c、陶瓷介質(zhì)膜；3、加熱元件；4、溫度傳感元件。
【具體實施方式】
[0047] 下面通過具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0048] 如圖1~3所示，一種高穩(wěn)定性薄膜氫氣傳感器，包括基底1、設(shè)置在基底1上的用 于檢測氫氣濃度的氫氣測量單