一種高穩(wěn)定性薄膜氫氣傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型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。
【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)鞑ニ俣鹊取Ｒ虼耍?氫氣泄漏和爆炸是引起安全事故的重要原因之一，需要對(duì)氫氣使用環(huán)境中的氫氣濃度進(jìn)行 檢測(cè)并對(duì)其泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0004] 氫氣傳感器是氫氣濃度測(cè)量和氫氣泄漏監(jiān)測(cè)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(guó)專(zhuān)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(cè)小濃度氫氣的 M0S電容傳感器、用于感測(cè)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(chēng)這種薄膜氫氣傳感器實(shí)現(xiàn)了幾何結(jié)構(gòu)節(jié)約，且降低了熱損失。但該專(zhuān)利存在以下幾個(gè) 缺點(diǎn)：
[0006] 1)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，包含了M0S電容檢測(cè)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(zhǎng)，成本較高。
[0007] 2)傳感器采用單個(gè)的鈀-鎳合金電阻傳感器實(shí)現(xiàn)大濃度氫氣的感測(cè)，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(gè)的鈀-鎳合金電阻傳感器實(shí)現(xiàn)大濃度氫氣的感測(cè)，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(cè)量精度，往往只能通過(guò)提高傳感器 的控溫精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這顯然不是最佳的方法。
[0009] 4)傳感器采用單個(gè)的鈀-鎳合金電阻傳感器實(shí)現(xiàn)大濃度氫氣的感測(cè)，但對(duì)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(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)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(duì)于本實(shí)用新型的 薄膜氫氣傳感器，可明顯提高傳感器的測(cè)量精度，延長(zhǎng)傳感器的標(biāo)定周期。
[0011] 本實(shí)用新型還提供一種使用薄膜氫氣傳感器測(cè)量氫氣濃度的方法。
[0012] 為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0013] 一種高穩(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(cè)氫氣濃 度的氫氣測(cè)量單元及用于控制所述氫氣測(cè)量單元溫度的溫度控制單元，所述氫氣測(cè)量單元 包括由多個(gè)電化學(xué)特性相同的氫敏電阻元件組成的具有4個(gè)橋臂的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，所述 4個(gè)橋臂上的氫敏電阻元件的個(gè)數(shù)相同，且在所述4個(gè)橋臂中的其中2個(gè)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(gè)橋臂為相對(duì)的2個(gè)橋臂。
[0014] 進(jìn)一步地，每個(gè)所述橋臂上的氫敏電阻元件為1個(gè)或2個(gè)。優(yōu)選地，每個(gè)所述橋臂 上的氫敏電阻元件為1個(gè)。
[0015] 優(yōu)選地，多個(gè)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(cè)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(guò)所述鈍化復(fù)合鍍層實(shí)現(xiàn)了與氫氣的物理隔 離，因此，不對(duì)氫氣敏感，在與氫氣接觸后不會(huì)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(duì)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] 本實(shí)用新型的薄膜氫氣傳感器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)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?xún)?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?xún)?yōu)異或者說(shuō)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(cè)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(cè)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] 本實(shí)用新型采取的又一技術(shù)方案是：一種使用上述薄膜氫氣傳感器測(cè)量氫氣濃度 的方法，所述方法包括：
[0026] (1)將包括有氫氣測(cè)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(cè)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(lái)的影響，
[0027] 其中，所述均勻、恒定的溫度環(huán)境通過(guò)使用溫度控制單元來(lái)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(cè)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(guò)測(cè)量所述氫氣測(cè)量單元輸出的電壓信號(hào)感測(cè)氫氣濃度，所述電壓信號(hào)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(cè)量單元安裝在基底上，所述惠斯通電橋結(jié) 構(gòu)由多個(gè)電化學(xué)特性相同的氫敏電阻元件組成，多個(gè)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(gè)橋臂的氫敏電阻元件的電化學(xué)特性相同，在所述4個(gè)橋臂中的其中2 個(gè)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(gè)橋臂為相 對(duì)的2個(gè)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(cè)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(pán)制成薄膜氫氣傳感器。
[0034] 其中，所述步驟（1)是通過(guò)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(guò)熱蒸發(fā)或?yàn)R射等技術(shù)沉積氫敏合金薄膜，經(jīng)剝離清洗可得到多個(gè)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(gè)相對(duì)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(cè)量單元。其中，惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中兩個(gè)表面設(shè)有鈍化復(fù) 合鍍層的氫敏電阻元件通過(guò)鈍化復(fù)合鍍層實(shí)現(xiàn)了與氫氣的物理隔離，因此，不對(duì)氫氣敏感。
[0035] 由于上述技術(shù)方案的實(shí)施，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0036] 本實(shí)用新型的薄膜氫氣傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將4個(gè)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(cè)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] 本實(shí)用新型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(cè)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(cè)量精度。
[0039] 本實(shí)用新型的薄膜氫氣傳感器可用于氫氣濃度檢測(cè)以及氫氣泄漏監(jiān)測(cè)等，氫氣濃 度可測(cè)范圍為0. 005%~100% (體積分?jǐn)?shù)）。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1是本實(shí)用新型薄膜氫氣傳感器的平面圖；
[0041] 圖2是本實(shí)用新型薄膜氫氣傳感器的氫氣測(cè)量單元的氫敏電阻元件的排布示意 圖；
[0042] 圖3是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型薄膜氫氣傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的氫氣測(cè)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(cè)原理圖；
[0046] 圖中：1、基底；2、氫氣測(cè)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(shí)施方式】