一種高穩定性薄膜氫氣傳感器及其使用方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于氫氣傳感器技術領域，特別涉及一種高穩定性薄膜氫氣傳感器及其使 用方法。
【背景技術】
[0002] 氫氣是主要的工業原料，也是最重要的工業氣體和特種氣體，在石化、冶金、半導 體以及電力行業有著廣泛的應用。
[0003] 與常規氣體相比，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、更高的火焰傳播速度等。因此， 氫氣泄漏和爆炸是引起安全事故的重要原因之一，需要對氫氣使用環境中的氫氣濃度進行 檢測并對其泄漏進行監測。
[0004] 氫氣傳感器是氫氣濃度測量和氫氣泄漏監測的特種傳感器。
[0005] 傳統的現有技術解決方案，例如，H2SCAN公司在中國專利CN1947007B薄膜氣體傳 感器結構中，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。 據稱這種薄膜氫氣傳感器實現了幾何結構節約，且降低了熱損失。但該專利存在以下幾個 缺點：
[0006] 1)傳感器結構設計較為復雜，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構，從而使得傳感器生產工藝復雜，生產周期 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定性，使得傳感器表現出固定的漂移特性，縮短了 傳感器的標定周期。
[0008] 3)傳感器采用單個的鈀-鎳合金電阻傳感器實現大濃度氫氣的感測，由于鈀-鎳 合金薄膜具有較大的電阻溫度系數，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，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。
【發明內容】
[0010] 本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種高穩定性薄膜氫氣 傳感器，該薄膜氫氣傳感器靈敏度是現有技術的2倍，傳感器固有不穩定性引起的漂移和 溫度漂移可相互抵消，較為明顯的改善了傳感器的穩定性。特別地，對于本發明的薄膜氫氣 傳感器，可明顯提高傳感器的測量精度，延長傳感器的標定周期。
[0011] 本發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] 為解決以上技術問題，本發明采用如下技術方案：
[0013] -種高穩定性薄膜氫氣傳感器，包括基底、設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構，所述 4個橋臂上的氫敏電阻元件的個數相同，且在所述4個橋臂中的其中2個橋臂的氫敏電阻元 件的表面設有用于隔離氫氣的鈍化復合鍍層，所述2個橋臂為相對的2個橋臂。
[0014] 進一步地，每個所述橋臂上的氫敏電阻元件為1個或2個。優選地，每個所述橋臂 上的氫敏電阻元件為1個。
[0015] 優選地，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生電阻變化，從而達到檢測氫氣的作用，而表 面設有所述鈍化復合鍍層的氫敏電阻元件通過所述鈍化復合鍍層實現了與氫氣的物理隔 離，因此，不對氫氣敏感，在與氫氣接觸后不會產生電阻變化。
[0017] 優選地，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 選鈀-鉻合金、鈀-金或鈀-鎳合金。
[0018] 本發明的薄膜氫氣傳感器的一個優選實施例中，所述鈍化復合鍍層包括依次設置 在所述氫敏電阻元件表面的絕緣介質膜、鈍化金屬膜和陶瓷介質膜。
[0019] 制作所述絕緣介質膜的材料選自絕緣特性優良的介質材料，優選二氧化硅、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， 優選金、銅、銀等金屬。
[0021] 制作所述陶瓷介質膜的材料選自阻氫特性優異或者說氫氣分子擴散系數較小的 材料，優選碳化硅、氧化鋁等，最優選碳化硅。
[0022] 進一步地，所述溫度控制單元包括設置在所述基底上且圍繞所述氫氣測量單元設 置的加熱元件及設置在所述基底上且圍繞所述加熱元件設置的溫度傳感元件。
[0023] 優選地，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性質穩定的 材料，優選金或鉑。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 數且極其穩定的材料，優選鉑、鎳或銅，最優選為鉑。
[0024] 優選地，制作所述基底的材料選自硅或陶瓷，優選為硅。
[0025] 本發明采取的又一技術方案是：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環境 中，并保持所述氫氣測量單元在均勻、恒定的溫度環境中，使得薄膜氫氣傳感器維持最優的 工作狀態，減小氣體介質溫度變化帶來的影響，
[0027] 其中，所述均勻、恒定的溫度環境通過使用溫度控制單元來維持，所述溫度控制單 元包括設置在所述基底上且圍繞所述氫氣測量單元設置的加熱元件及設置在所述基底上 且圍繞所述加熱元件設置的溫度傳感元件；
[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 所述氣體介質環境中的氫氣濃度變化成正比關系。
[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構的氫氣測量單元安裝在基底上，所述惠斯通電橋結 構由多個電化學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 斯通電橋結構的4個橋臂的氫敏電阻元件的電化學特性相同，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)是通過光刻技術在所述基底表面形成了氫敏電阻元件的圖形 結構，再通過熱蒸發或濺射等技術沉積氫敏合金薄膜，經剝離清洗可得到多個橋臂電阻。同 樣的，經光刻、蒸發或者濺射沉積技術在任意2個相對橋臂電阻表面制備鈍化復合鍍層，從 而形成了惠斯通電橋結構的氫氣測量單元。其中，惠斯通電橋結構中兩個表面設有鈍化復 合鍍層的氫敏電阻元件通過鈍化復合鍍層實現了與氫氣的物理隔離，因此，不對氫氣敏感。
[0035] 由于上述技術方案的實施，本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0036] 本發明的薄膜氫氣傳感器結構簡單，將4個具有相同電化學特性和幾何尺寸結構 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構的氫氣測量單元。
[0037] 制作在同一基底表面的惠斯通電橋結構的有益效果是將氫敏電阻元件具有的固 有不穩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定性。
[0038] 本發明的薄膜氫氣傳感器采用基于惠斯通電橋結構的氫氣測量單元，其靈敏度是 現有技術中單一氫敏電阻的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 穩定性，提高測量精度。
[0039] 本發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測等，氫氣濃度可 測范圍為〇· 005%~100% (體積分數）。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發明薄膜氫氣傳感器的平面圖；
[0041] 圖2是本發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是本發明薄膜氫氣傳感器的鈍化復合鍍層的截面結構示意圖；
[0043] 圖4是惠斯通電橋結構的工作原理圖；
[0044]圖5是本發明薄膜氫氣傳感器的惠斯通電橋結構的氫氣測量單元的工作原理圖；
[0045] 圖6為傳統技術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、鈍化復合鍍層；22a、絕緣 介質膜；22b、鈍化金屬膜；22c、陶瓷介質膜；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明作進一步描述。
[0048] 如圖1~3所示，一種高穩定性薄膜氫氣傳感器，包括基底1、設置在基底1上的用 于檢測氫氣濃度的氫氣測量單