CN112649478A - 一种薄膜氢气传感器、制作方法及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜氢气传感器、制作方法及工作方法，包括基底，基底模面上设有对氢气敏感的测氢薄膜电阻、对温度敏感的测温薄膜电阻以及加热薄膜电阻；测温薄膜电阻和加热薄膜电阻为具有同一圆心的圆环形结构，测温薄膜电阻上设有一个断开的第一缺口形成第一测温终端和第二测温终端，加热薄膜电阻上设有一个断开的第二缺口形成第一加热终端和第二加热终端，测氢薄膜电阻设置测温薄膜电阻和加热薄膜电阻当中测氢薄膜电阻为并线双螺旋结构。本发明的薄膜氢气传感器相对结构简单，且制作工艺简单，周期短，成本可控，稳定可靠性强，可满足在氢燃料电池汽车应用中的成本要求。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种薄膜氢气传感器、制作方法及工作方法。
背景技术
氢燃料电池汽车作为氢气在汽车领域的应用，是新能源车的理想解决方案之一。但氢气分子很小、渗透性强，同时氢气无色无味、常温常压下着火点仅为585℃，空气中氢气含量在4%～74%范围内、遇火源即可发生爆炸。
固态钯合金薄膜氢气测量技术，检测氢气具有专一性，有氧和无氧状态下均能正常工作，已成为车用氢气泄漏检测应用研究热点。但车辆运行时电磁干扰强、温度变化大，这对钯合金薄膜氢气传感器的抗电磁和温度干扰提出了更高的要求。
中国专利授权公告号CN1947007B公开了美国H2SCAN公司的一个专利技术，薄膜气体传感器结构，涉及一种基于钯-镍合金的薄膜氢气传感器，其结构包括用于感测小浓度氢气的MOS电容传感器、用于感测大浓度氢气的电阻传感器、镍薄膜温度传感器和薄膜加热元件。氢燃料电池汽车领域应用中，氢气测量侧重最低爆炸限大浓度的氢气检测，感测小浓度的氢气传感器在此场合应用意义不大，会增加成本。
传感器含两个浓度范围检测氢气元件，就氢燃料电池汽车只侧重泄漏检测的应用而言，会造成传感器生产周期长、成本高，面对车用氢气传感器这个低成本、高可靠应用需求而言，显然不合适。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、易于制造、受环境温度影响小、抗电磁干扰能力强的薄膜氢气传感器、制作方法及工作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种薄膜氢气传感器，包括基底，基底模面上设有对氢气敏感的测氢薄膜电阻、对温度敏感的测温薄膜电阻以及加热薄膜电阻；测温薄膜电阻和加热薄膜电阻为具有同一圆心的圆环形结构，测温薄膜电阻上设有一个断开的第一缺口形成第一测温终端和第二测温终端，加热薄膜电阻上设有一个断开的第二缺口形成第一加热终端和第二加热终端，测氢薄膜电阻设置测温薄膜电阻和加热薄膜电阻当中测氢薄膜电阻为并线双螺旋结构。
加热薄膜电阻的直径小于测温薄膜电阻的直径，第二缺口和第一缺口邻近并内外对应布置。
并线双螺旋结构的圆心和圆环形结构的圆心重合，并线双螺旋结构由两组等半径差且围绕圆心半径渐变的曲线环绕多圈形成，并线双螺旋结构在邻近底模模面近圆心的端点处进行短接，并线双螺旋结构远离圆心的第一测氢终端和第二测氢终端均邻近第二缺口。
基底材质为用硅，测氢薄膜电阻材质为钯-镍合金，测温薄膜电阻材质为铂，加热薄膜电阻采用物理化学性质稳定的金属材料，优选镍铬。
一种薄膜氢气传感器的制作方法，包括以下步骤:
（1）确定基底模面的中心，即测氢薄膜电阻、测温薄膜电阻和加热薄膜电阻的圆心；
（2）将并线双螺旋结构的测氢薄膜电阻安装在基底上，测氢薄膜电阻在靠近模面中心点侧短接；
（3）将加热薄膜电阻安装硅材料基底上，使加热薄膜电阻环绕在测氢薄膜电阻外部；
（4）将测温薄膜电阻安装在硅材料基底上，使测温薄膜电阻环绕加热薄膜电阻外部；
（5）在硅材料基底上制作金属连线和键合焊盘制成薄膜氢气传感器。
步骤（1）是通过光刻技术在硅材料的基底模面上形成测氢薄膜电阻的图形结构，再通过加热蒸发或溅射技术沉积测氢薄膜电阻，经剥离清洗可得到并线双螺旋结构。
步骤（2）和（3）是通过加热蒸发或溅射技术在测氢薄膜电阻外围分别沉积加热薄膜电阻和测温薄膜电阻。
一种薄膜氢气传感器的工作方法，包括以下步骤:
A）将包括有薄膜氢气传感器的加热薄膜电阻通过外围电路进行可调电压控制加热功率；
B）通过外围电路采集薄膜氢气传感器内部测温薄膜电阻值，并通过适当算法调整上述步骤A）中所述的加热电阻供电电压，使得薄膜氢器传感器温度稳定在一定范围内，减小环境温度变化对薄膜电阻传感器带来的影响；
C）通过外围电路采集该薄膜氢气传感器中测氢薄膜电阻阻值变化量来感测氢气浓度变化量，阻值变化量与氢气浓度通过校准拟合数据曲线获得具体浓度值。
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优势：
本发明的薄膜氢气传感器应用了简洁实用的设计，测氢薄膜电阻具有并线双螺旋结构，加热薄膜电阻和测温薄膜电阻环绕测氢薄膜电阻的构成薄膜氢气传感器几何形状。测氢薄膜电阻采用并线双螺旋结构使得测氢薄膜电阻受外界电磁干扰时，在并行两路测氢薄膜电阻上的产生电流大小相等、方向相反，电流自身波动产生的感应磁场也大小相等、方向相反可相互抵消，增强了抗电磁干扰能力从而有效消除系统自身和外界引入的信号干扰。
同时加热薄膜电阻处于内环、测温薄膜电阻处于外环的双环结构，测氢薄膜电阻通过并线双螺旋结构置于温度场中心，加热薄膜电阻和薄膜测温电阻环绕底模中心点。加热电阻和测温电阻构成温控单元，给系统提供相对恒定的温度，各向同性的环形结构有利于位于环形中心的测氢薄膜电阻所处温度场相对稳定，温度变化梯度小, 从而减小温度波动对测氢电阻带来的扰动，增强了氢气传感器输出信号的稳定性。
本发明的薄膜氢气传感器相对结构简单，且制作工艺简单，周期短，成本可控，稳定可靠性强，可满足在氢燃料电池汽车应用中的成本要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种薄膜氢气传感器，包括基底10，基底10模面上设有对氢气敏感的测氢薄膜电阻1、对温度敏感的测温薄膜电阻3以及加热薄膜电阻2；测温薄膜电阻3和加热薄膜电阻2为具有同一圆心的圆环形结构，测温薄膜电阻3上设有一个断开的第一缺口形成第一测温终端3a和第二测温终端3b，加热薄膜电阻2上设有一个断开的第二缺口形成第一加热终端2a和第二加热终端2b，测氢薄膜电阻1设置测温薄膜电阻3和加热薄膜电阻2当中测氢薄膜电阻1为并线双螺旋结构。
加热薄膜电阻2的直径小于测温薄膜电阻3的直径，第二缺口和第一缺口邻近并内外对应布置。
并线双螺旋结构的圆心和圆环形结构的圆心重合，并线双螺旋结构由两组等半径差且围绕圆心0半径渐变的曲线环绕多圈形成，并线双螺旋结构在邻近底模模面近圆心0的端点处进行短接，并线双螺旋结构远离圆心0的第一测氢终端1a和第二测氢终端1b均邻近第二缺口。
基底10材质为用硅，测氢薄膜电阻1材质为钯-镍合金，测温薄膜电阻3材质为铂，加热薄膜电阻2采用物理化学性质稳定的金属材料，优选镍铬。
一种薄膜氢气传感器的制作方法，包括以下步骤:
（1）确定基底10模面的中心，即测氢薄膜电阻1、测温薄膜电阻3和加热薄膜电阻2的圆心0；
（2）对硅片基底10进行清洗，去除表面杂质；通过光刻工艺制作测氢薄膜电阻1并线双螺旋的图形结构，形成光刻胶掩膜。采用热蒸发工艺沉积钯-镍合金薄膜，该薄膜的厚度为50nm～150nm，使用lift-off工艺剥离清洗形成并线双螺旋结构的测氢薄膜电阻1。
（3）使用光刻工艺制作加热薄膜电阻2的光刻胶掩膜图形。通过热蒸发工艺沉积镍铬薄膜，该薄膜厚度为300nm～500nm，然后剥离清洗制成加热薄膜电阻2。使用光刻工艺制作测温薄膜电阻3的光刻胶掩膜图形。
（4）通过热蒸发工艺沉积铂薄膜，该薄膜厚度为50nm～150nm，然后剥离清洗形成铂薄膜测温电阻。
（5）通过光刻工艺制作金属连线和键合焊盘的光刻胶掩膜图形。使用热蒸发工艺沉积金薄膜，膜厚为400nm～700nm，然后剥离清洗形成金属连线和焊盘。通过划片裂片机制作薄膜氢气传感器。
一种薄膜氢气传感器的工作方法，包括以下步骤:
A）将包括有薄膜氢气传感器的加热薄膜电阻2通过外围电路进行可调电压控制加热功率；
B）通过外围电路采集薄膜氢气传感器内部测温薄膜电阻3值，并通过适当算法调整上述步骤A）中所述的加热电阻供电电压，使得薄膜氢器传感器温度稳定在一定范围内，减小环境温度变化对薄膜电阻传感器带来的影响；
C）通过外围电路采集该薄膜氢气传感器中测氢薄膜电阻1阻值变化量来感测氢气浓度变化量，阻值变化量与氢气浓度通过校准拟合数据曲线获得具体浓度值。
本发明应用测氢、加热、测温薄膜电阻3围绕基底10模面中心点呈三重环绕结构，使得测氢薄膜电阻1处于相对稳定一致的温度场内。在实验时，加热薄膜电阻2和测温薄膜电阻3温控温度为140度，外围环境温度为25度时，通过ANSYS软件分析可知：相较其他薄膜型传感器，本发明的测氢薄膜电阻1处于相对稳定的温度场内。
若温控温度为140度，外围环境温度为零下40度，通过ANSYS软件分析可知相较其他薄膜型传感器，本发明测氢薄膜电阻1仍然处于相对稳定的温度场内。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种薄膜氢气传感器，其特征在于：包括基底，基底模面上设有对氢气敏感的测氢薄膜电阻、对温度敏感的测温薄膜电阻以及加热薄膜电阻；测温薄膜电阻和加热薄膜电阻为具有同一圆心的圆环形结构，测温薄膜电阻上设有一个断开的第一缺口形成第一测温终端和第二测温终端，加热薄膜电阻上设有一个断开的第二缺口形成第一加热终端和第二加热终端，测氢薄膜电阻设置测温薄膜电阻和加热薄膜电阻当中测氢薄膜电阻为并线双螺旋结构。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜氢气传感器，其特征在于：加热薄膜电阻的直径小于测温薄膜电阻的直径，第二缺口和第一缺口邻近并内外对应布置。
3.根据权利要求2所述的一种薄膜氢气传感器，其特征在于：并线双螺旋结构的圆心和圆环形结构的圆心重合，并线双螺旋结构由两组等半径差且围绕圆心半径渐变的曲线环绕多圈形成，并线双螺旋结构在邻近底模模面近圆心的端点处进行短接，并线双螺旋结构远离圆心的第一测氢终端和第二测氢终端均邻近第二缺口。
4.根据权利要求3所述的一种薄膜氢气传感器，其特征在于：基底材质为用硅，测氢薄膜电阻材质为钯-镍合金，测温薄膜电阻材质为铂，加热薄膜电阻采用物理化学性质稳定的金属材料，优选镍铬。
5.采用如权利要求4所述的一种薄膜氢气传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤:
（1）确定基底模面的中心，即测氢薄膜电阻、测温薄膜电阻和加热薄膜电阻的圆心；
（2）将并线双螺旋结构的测氢薄膜电阻安装在基底上，测氢薄膜电阻在靠近模面中心点侧短接；
（3）将加热薄膜电阻安装硅材料基底上，使加热薄膜电阻环绕在测氢薄膜电阻外部；
（4）将测温薄膜电阻安装在硅材料基底上，使测温薄膜电阻环绕加热薄膜电阻外部；
（5）在硅材料基底上制作金属连线和键合焊盘制成薄膜氢气传感器。
6.根据权利要求5所述的一种薄膜氢气传感器的制作方法，其特征在于：步骤（1）是通过光刻技术在硅材料的基底模面上形成测氢薄膜电阻的图形结构，再通过加热蒸发或溅射技术沉积测氢薄膜电阻，经剥离清洗可得到并线双螺旋结构。
7.根据权利要求6所述的一种薄膜氢气传感器的制作方法，其特征在于：步骤（2）和（3）是通过加热蒸发或溅射技术在测氢薄膜电阻外围分别沉积加热薄膜电阻和测温薄膜电阻。
8.采用如权利要求4所述的一种薄膜氢气传感器的工作方法，其特征在于：包括以下步骤:
A）将包括有薄膜氢气传感器的加热薄膜电阻通过外围电路进行可调电压控制加热功率；
B）通过外围电路采集薄膜氢气传感器内部测温薄膜电阻值，并通过适当算法调整上述步骤A）中所述的加热电阻供电电压，使得薄膜氢器传感器温度稳定在一定范围内，减小环境温度变化对薄膜电阻传感器带来的影响；
C）通过外围电路采集该薄膜氢气传感器中测氢薄膜电阻阻值变化量来感测氢气浓度变化量，阻值变化量与氢气浓度通过校准拟合数据曲线获得具体浓度值。
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| CN116773616A (zh) * | 2023-08-25 | 2023-09-19 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 气体传感器、电池、用电装置和气体浓度检测方法 |
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2020
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116773616B (zh) * | 2023-08-25 | 2024-02-20 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 气体传感器、电池、用电装置和气体浓度检测方法 |
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