CN109060895A - 一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，包括：升温平台；设置在所述升温平台上的加热装置；设置在所述升温平台上的金属薄膜敏感电极，其中通过控制所述加热装置，使所述金属薄膜敏感电极的工作温度设定在50℃到100℃的范围内，从而，显著提高氢气传感器的响应速度和灵敏度。

Description

一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体而言，本发明涉及一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器。

背景技术

为了解决环境污染、能源短缺问题，人类寻找和开发了诸多新能源，其中，氢能由于其清洁、可再生的特点具有很大的发展潜力。随着氢气的广泛使用，氢气操作的安全性也变得越来越重要。

常温常压下，氢气是一种易燃易爆的气体，在空气中的爆炸范围为4％-75.6％，其无色透明，无臭无味，渗透力很强，在生产、使用、储存、运输过程中极易泄漏且难以察觉。因此，研究安全可靠、价格低廉、响应快、灵敏度高、寿命较长的微氢气传感器具有十分重要的意义。

研制氢气传感器的关键问题之一是氢气敏感材料的选择及其敏感元件的制备。目前国内外研究的许多氢气传感器采用的敏感材料是ZnO、SnO₂等金属氧化物，虽然这些材料成本低、响应速度快，但是由于对还原性气体普遍存在响应，所以其选择性差。而且，这类传感器工作温度通常在300℃以上的高温，功耗大且不安全。

针对钯膜或者钯合金膜作为敏感层的氢气传感器的研究已经取得较广泛的关注和较多的成果，钯等金属膜对氢气具有选择性，且室温下即可响应氢气，发生电阻变化，也被用于制作氢气传感器的敏感电极。但是，之前此类氢气传感器几乎都是在室温下工作，没有对不同温度下的响应进行对比，也没有报道过类似的升温模式下工作的金属薄膜氢气传感器(“Hydrogen sensors-A review”,Sensors and Actuators B,2011,157(2):329-352.)。而室温下连续纯钯膜氢气传感器响应时间超过20分钟(“Palladium-silver thinfilm for hydrogen sensing”,Sensors and Actuators B,2007,123(1):101-106.)，其响应速度慢、灵敏度低等问题导致很难满足大多数环境的检测要求。

因此，本领域需要进一步提高氢气传感器的响应速度、灵敏度，同时简化氢气传感器复杂度。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有钯膜、铂膜等在室温下对氢气响应/恢复速度慢，灵敏度低等的缺点，小幅升高金属薄膜氢气传感器工作温度，使其性能得到大幅提升。

根据本发明的一个方面，提供一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，包括：

升温平台；

设置在所述升温平台上的加热装置；

设置在所述升温平台上的金属薄膜敏感电极，其中通过控制所述加热装置，使所述金属薄膜敏感电极的工作温度设定在50℃到100℃的范围内。

在本发明的一个实施例中，所述金属薄膜敏感电极的材料是铂、钯、钯系合金或铂系合金。

在本发明的一个实施例中，所述金属薄膜敏感电极的形状为弯折形，线宽为10微米，厚度为150纳米。

在本发明的一个实施例中，该升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器还包括覆盖所述加热装置的绝缘层，其中所述金属薄膜敏感电极设置在所述绝缘层上。

在本发明的一个实施例中，所述加热装置围绕在所述金属薄膜敏感电极的周围。

在本发明的一个实施例中，所述升温平台在金属薄膜敏感电极下方的区域具有凹槽或镂空结构。

本发明公开的氢气传感器具有结构简单的优点，通过升温平台来控制金属薄膜敏感电极的工作温度，可显著提高氢气传感器的响应速度、恢复速度和灵敏度，并且可以排除环境因素对传感器的影响。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的第一实施例的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器100的结构示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的加热电阻丝201和敏感电极202的俯视图。

图3示出根据本发明的第二实施例的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器300的结构示意图。

图4示出根据本发明的一个实施例的加热电阻丝401和敏感电极402的俯视图。

图5示出不同温度下获取的金属敏感薄膜响应曲线。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

钯等金属膜对氢气具有选择性，且室温下即可响应氢气，发生电阻变化。但室温下连续纯钯膜氢气传感器响应时间超过20分钟。透过钯等金属膜的速率与温度、膜厚及膜两侧的氢分压差△P有关。升高温度，增大△P及减小膜厚，都会使透氢率增加。通过实验发现温度过高也不利于传感器性能，因此本发明公开的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器工作在特定的温度区间，例如，50℃到100℃。

本发明公开的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器基于钯、铂或钯系、铂系合金材料形成敏感电极，并且通过升温装置将敏感电极的工作温度控制在50℃至100℃温度范围内，使其性能得到大幅提升。

图1示出根据本发明的第一实施例的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器100的结构示意图。如图1所示，该升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器100可包括升温平台101、设置在升温平台101上的加热电阻丝102、覆盖加热电阻丝102的绝缘层103和设置在绝缘层103上的金属薄膜敏感电极104。

在本发明的实施例中，升温平台1可在硅基底上加工而成。为了提高加热电阻丝102的加热效率，可去除硅基底背面与加热电阻丝102相对的部分硅材料，从而在硅基底背面形成阻热凹槽105。

在本发明的其它实施例中，升温平台1可在其他类型的基底上加工而成，例如，玻璃基底、聚合物基底、金属基底、陶瓷基底、半导体材料基底等等。

在本发明的实施例中，加热电阻丝102的材料可以为铂。为了提高加热电阻丝的发热效率，可将加热电阻丝的形状设定为弯折形。图2示出了根据本发明的一个实施例的加热电阻丝201和敏感电极202的俯视图。如图2所示，加热电阻丝201的线宽为10微米，厚度为200纳米。

在本发明的实施例中，所述绝缘层103的材料可以为二氧化硅，厚度为300纳米。

在本发明的实施例中，金属薄膜敏感电极104的材料可包括铂、钯、钯系合金及铂系合金。如图2所示，金属薄膜敏感电极104是电阻型氢气传感器，金属薄膜敏感电极202的形状为弯折形，线宽为10微米，厚度为150纳米。

在本发明的其他实施例中，金属薄膜敏感电极104也可以是其他形状。

该升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器100可基于微机电系统加工技术，采用光刻、溅射或Lift-off等基本MEMS工艺制作。具体而言，首先采用光刻、溅射、电镀或Lift-off等工艺在硅基底上依次形成加热电阻丝、覆盖加热电阻丝的绝缘层和设置在绝缘层上的金属薄膜敏感电极，然后，通过刻蚀工艺在硅基底形成升温平台。

本发明通过升温平台提供金属薄膜敏感电极需要的工作温度。本发明设计的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器只需要以很低的功耗升温至50-100℃，即可较室温下工作显著提高响应/恢复速度和灵敏度等性能指标，同时可排除环境因素对传感器的影响。

图3示出根据本发明的第二实施例的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器300的结构示意图。如图3所示，该升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器300可包括升温平台301、设置在升温平台301上的加热电阻丝302和金属薄膜敏感电极303。

在本发明的实施例中，升温平台301可以是玻璃基底。

在本发明的实施例中，加热电阻丝302的材料可以为铂。金属薄膜敏感电极303的材料可包括铂、钯、钯系合金及铂系合金。

为了提高加热电阻丝的发热效率，可将加热电阻丝的形状设定为弯折形。

图4示出了根据本发明的一个实施例的加热电阻丝401和敏感电极402的俯视图。如图4所示，加热电阻丝401的线宽为10微米，厚度为200纳米。金属薄膜敏感电极402的形状为弯折形，线宽为10微米，厚度为150纳米。

在图3和图4所示的实施例中，为了提高加热效率，可将加热电阻丝401设置成围绕在敏感电极402周围。

该升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器300可基于微机电系统加工技术，采用光刻、溅射或Lift-off等基本MEMS工艺制作。具体而言，采用光刻、溅射、电镀或Lift-off等工艺在玻璃基底上依次形成加热电阻丝和金属薄膜敏感电极。

在使用本发明公开的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器进行氢气敏感测试时，通过在加热电阻丝两端施加不同电压获得不同工作温度。本发明公开的升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器的工作温度可设定在50℃到100℃的范围内。例如，该工作温度可以为50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃。

可在不同温度下获取金属敏感薄膜响应曲线，如图5所示。根据图5所示的曲线可知：升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器的性能明显优于室温下工作的传感器。

在本发明的实施例中，可以通过红外装置监测传感器温度，标定加热电阻丝两端电压和金属薄膜敏感电极温度之间的对应关系，从而施加不同的电压即可获得所需的相应工作温度。

在本发明的其他实施例中，可部分去除加热电阻丝302和金属薄膜敏感电极303下方的基底材料，使得加热电阻丝302和金属薄膜敏感电极303的至少部分结构悬空。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (6)

1.一种在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，包括：

升温平台；

设置在所述升温平台上的加热装置；

设置在所述升温平台上的金属薄膜敏感电极，其中通过控制所述加热装置，使所述金属薄膜敏感电极的工作温度设定在50℃到100℃的范围内。

2.如权利要求1所述的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，其特征在于，所述金属薄膜敏感电极的材料是铂、钯、钯系合金或铂系合金。

3.如权利要求1所述的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，其特征在于，所述金属薄膜敏感电极的形状为弯折形，线宽为10微米，厚度为150纳米。

4.如权利要求1所述的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，其特征在于，还包括覆盖所述加热装置的绝缘层，其中所述金属薄膜敏感电极设置在所述绝缘层上。

5.如权利要求1所述的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，其特征在于，所述加热装置围绕在所述金属薄膜敏感电极的周围。

6.如权利要求1所述的在升温模式下工作的电阻型金属薄膜氢气传感器，其特征在于，所述升温平台在金属薄膜敏感电极下方的区域具有凹槽或镂空结构。