CN114152650A - 一种阵列氢气探测器及其检测方法 - Google Patents

一种阵列氢气探测器及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种阵列氢气探测器及其检测方法。其通过对氢敏器件的电阻值的变化不仅能够实现对氢气泄露的检测，还能具体计算得到泄露的氢气浓度，并且通过设置多个探测点形成阵列式氢气探测，能够对氢气泄露的具体位置进行定位，及时探测到氢气泄露源头。本发明在基板任意一面加工制作的TFT器件层，TFT器件层包括多个成阵列分布的探测点；在基板的另一面加工制作有电阻变化感应层，电阻变化感应层被刻蚀成多个电阻变化感应模块，在每个电阻变化感应模块下方基板上均开设有通孔，通孔内填充有金属，每个电阻变化感应模块通过通孔内的金属与对应的探测点实现电性连接；在所述电阻变化感应层的上方加工制作有氢气分离薄膜层。

Description

一种阵列氢气探测器及其检测方法
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种阵列氢气探测器及其检测方法。
背景技术
氢气是重要的工业原料，广泛应用于化工、电子、冶金、食品、航空航天等工业及科研领域。尤其是在环境污染、能源危机等问题日益严重的今天，对氢气等可再生清洁能源的开发和利用变得尤为迫切。近年来，以光解水制氢、氢燃料电池为代表的氢能源开发、利用技术取得了长足进步，氢燃料电池驱动的汽车与便携装置也已面世。
然而，氢传感技术的发展则相对落后，大大阻碍了氢能源的普及；氢气传感器的主要技术要求为：高灵敏度、短响应时间、高选择性、高稳定性、小型化、低功耗及低成本。
目前市面上的氢气传感器有电化学型、催化燃烧型、金属氧化物电阻型以及热传导型四大类；但是，这些传感器都有一个共同的缺陷就是选择性差，对一氧化碳、甲烷、乙炔和乙醇等常见气体也有较强响应，存在误报的问题，整体的探测灵敏度低；另外这些传感器只是单个元器件的设计，无法探测到气体泄漏的源头，并且无法实施在线监控。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决现有氢气探测器存在的不足，提供一种阵列氢气探测器及其检测方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种阵列氢气探测器，其特征在于：包括基板，基板的上下任意面上设置有TFT器件层，另一面上设置有电阻变化感应层；
所述的TFT器件层为多个成阵列分布的探测点，所述的电阻变化感应层被刻蚀成多个电阻变化感应模块，电阻变化感应模块的个数与探测点的个数相同并对应，每个电阻变化感应模块下方的基板上均开设有通孔，通孔内填充有金属，每个电阻变化感应模块通过通孔内的金属与对应的探测点实现电性连接；所述电阻变化感应层的上方设置有氢气分离薄膜层。
进一步，每个探测点包括三极管和存储电容以及COM引线，所述三极管的漏极与存储电容一端电性连接，存储电容的另一端通过通孔内的金属与对应的电阻变化感应模块电性连接，同时另一端通过COM引线接地或者接入相应的电压；所述三极管的栅极和源极电性连接信号探测IC端。
进一步，每个电阻变化感应模块中包括由氢敏材料制成的氢敏薄膜，通过氢敏薄膜与相对应的探测点内的存储电容电性连接。
进一步，TFT器件层的下方还设置有加固保护探测器的器件保护层；所述氢气分离薄膜层的表面积大于电阻变化感应层的表面积。
进一步，TFT器件层与基板之间设置有上钝化层；TFT器件层与器件保护层下钝化层。
进一步，电阻变化感应层的下端面设置有比表面积衬底。
进一步，基板的材料为玻璃、PCB板或柔性树脂材料；
上钝化层和下钝化层材料包括氮化硅或者氧化硅。
进一步，在所述氢气分离薄膜层作为基底材料时，则取消基板。
一种基于阵列式氢气探测器的氢气检测方法，所述检测方法包括氢气泄露检测和氢气浓度检测；
所述的氢气泄露检测步骤为：
信号探测IC端根据信道通道顺序对M×N个探测点进行扫描检测，得到M×N个探测点传输回的一帧帧电压信号；
信号探测IC端实时检测每个探测点传输回的电压值信号，并当检测到某个探测点前一帧电压信号与后一帧电压信号的变化超出阈值时，则说明该探测点检测到氢气泄露，根据该探测点的信号传输通道对该探测点的位置进行定位；
所述氢气浓度检测步骤为：
根据探测点前一帧电压信号和后一帧电压信号的变化计算出氢敏薄膜上的分压信号的变化；
根据串联闭合回路电流值不变的特点计算出氢敏薄膜的电阻变化情况；
再根据氢敏薄膜本身电阻与氢气浓度的关系计算出探测点的氢气浓度。
进一步，信号探测IC端进行扫描检测，得到M×N个探测点传输回的一帧帧电压信号包括：
M×N个探测点通过唯一的信道通道与信号探测IC端电性连接；信号探测IC端发送固定的频率信号到每个三极管的栅极，控制三极管开启，并发送固定信号给每个三极管的源极；然后三极管关闭，使得每个探测点中的存储电容的电压信号为固定的U值，此时存储电容与相应电阻变化感应模块中的氢敏薄膜形成串联的闭合回路，信号探测IC端检测到每个探测点传输回的一帧电压信号，每一帧电压信号又存储电容固定U值的电压信号和氢敏薄膜上的分压信号组成；
重复上述步骤控制三极管不间断的开启和关闭，进而得到每个探测点的一帧帧电压信号。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明通过对氢敏薄膜的电阻值的变化进行检测，不仅能够实现对氢气泄露的检测，还能具体计算得到泄露的氢气浓度；
2)本发明通过设置多个探测点形成阵列式氢气探测，能够对氢气泄露的具体位置进行定位，及时探测到氢气泄露源头；
3)本发明具有极高的灵敏度和广阔的应用前景。
附图说明：
图1为本发明结构的结构示意图；
图2为本发明探测点的结构示意图；
图3为本发明检测方法的流程图；
图4为本发明制备方法的基板打孔和金属填孔结构示意图；
图5为本发明制备方法的氢敏材料沉积结构示意图；
图6为本发明制备方法的氢气分离薄膜结构示意图；
图7为本发明制备方法的加固件结构示意图；
图中：1-基板，2-氢气分离薄膜层，3-电阻变化感应层，4-通孔，5-探测点，6-钝化层，7-器件保护层，8-栅极，9-源极，10-漏极，11-存储电容，12-COM引线，13-氢敏薄膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的工作原理：每个栅极8以固定的频率信号，不间断的开启，每个源极9给出的信号为固定信号，所有存储电容的电压信号为固定的U值，氢气通过氢气分离薄膜进入氢敏材料的薄膜(如钯基或者及其合金)，因为氢敏材料的阻值会发生变化，与信号探测IC端固定阻值电阻R1的分压U1有变化，根据电压变化反推出来氢气的浓度(氢敏材料的氢气浓度和电阻变化是提前标定已知)。即：U＝RI+U1，因为U固定，U1可探测，所以氢敏材料的压差可知。因为每个器件是独立探测的，所以如果有氢气接触氢敏薄膜，其电阻就会发生变化。如果前一帧信号与后一帧信号有差异，就说明氢敏薄膜有探测到氢气。可以根据每个位置的信号前后帧，每个阵列时序信号的差异判定氢气来源。
本发明提供一种阵列式氢气探测器，如图1所示，包括在基板1任意一面加工制作的TFT器件层，TFT器件层包括多个成阵列分布的探测点5；基板1的另一面加工制作有电阻变化感应层3，电阻变化感应层3被刻蚀成多个电阻变化感应模块，在每个电阻变化感应模块下方基板上均开设有通孔4，通孔4内填充有金属，每个电阻变化感应模块通过通孔4内的金属与对应的探测点实现电性连接；电阻变化感应层的上方加工制作有氢气分离薄膜层2，氢气分离薄膜层2用于降低其他气体对氢敏材料的干扰，进而降低器件误报警率。
在TFT器件层和基板1之间加工制作有钝化层6，钝化层可以是氮化硅或者氧化硅材料制成；基板1可以是玻璃，PCB版路、或者聚酰亚胺柔性基材或者为特种柔性纸张；考虑到电阻和散热问题，填孔金属为电阻率小的铜或者银、金等，过孔大小与漏极电极大小相关(小于等于漏极大小)。
如图2所示，探测点包括三极管和存储电容11以及COM引线12；三极管的漏极10与存储电容11一端电性连接，存储电容11的另一端通过所述通孔4内填充的金属与对应的电阻变化感应模块电性连接，同时另一端通过COM引线12接地或者接入相应的电压；所述三极管的栅极8和源极9电性连接信号探测IC端。
上述电阻变化感应层3包括由氢敏材料制成的氢敏薄膜13，每个电阻变化感应模块中的氢敏薄膜13与存储电容11电性连接，信号探测IC端根据每个电阻变化感应模块中的氢敏薄膜13在氢气作用下的电阻发生变化，导致对应探测点5的三极管的电流发生变化，进而对氢气泄露位置和氢气浓度进行探测，
在上述电阻变化感应层3的下端增加有比表面积衬底，以提升氢敏薄膜的氢敏特性。
上述氢敏材料包括三氧化二铝薄膜、Pb及其合金薄膜等具有在氢气作用下电阻发生变化特点的材料。
上述TFT器件层的下方还加工制作有用于对探测器进行加固保护的器件保护层7；氢气分离薄膜层2的表面积大于电阻变化感应层3的表面积，进而保证氢敏材料与衬底材料图形一致或者氢敏材料呈阵列结构状态。
本发明上述阵列式氢气探测器的制备方法为：
在基板1的一面沉积氢敏材料层，另一面沉积由TFT器件层；
在TFT器件层上刻蚀得到有多个成阵列排布的探测点5，每个探测点5包括三极管和存储电容11以及COM引线12；在基板上开设有通孔4，通孔4内填充有实现存储电容与氢敏材料层电性连接的金属；
上钝化层设置于TFT器件层和基板之间，下钝化层设置于所述栅极8和存储电容11下部电极下端；
对上钝化层进行图形化；对源极9、漏极10和存储电容11上部电极进行图形化；对半导体层进行图形化；对绝缘层图形化；对栅极8和存储电容11下部电极图形化；对下钝化层图形化。
所述上钝化层和下钝化层材料包括氮化硅或者氧化硅；所述半导体层材料包括非晶硅、多晶硅和金属氧化物中的一种；所述绝缘层材料包括氧化硅或者二氧化硅；所述源极9、漏极10、栅极8和存储电容11的上下部电极包括由Mo、Cu、Ti和Al中的任意一种制成。
在完成基板1的TFT器件加工后，对基板1进行打孔以及金属填孔，考虑到电阻和散热的问题，填孔金属为电阻率小的铜或者银、金等，通孔4的大小与漏极10电极大小相关(小于等于漏极大小)。
为了提升单位面积氢敏薄膜的面积，提升氢敏特性，在氢敏材料下方设置比表面积大的三氧化二铝模板薄膜，或者有机金属骨架膜等比表面积大的材料薄膜，然后沉积氢敏材料，并保证氢敏材料与衬底材料图形一致或者氢敏材料呈阵列结构状态。
对沉积在比表面积大的材料上面的氢敏材料进行图形化，因为氢敏材料选择性不是很强，为了降低其他气气体的干扰，降低器件误报警率，在氢敏材料上面增加一层氢气分离薄膜层2(如ZIF-8材料的薄膜)。最后在加工完成后，加上加固件，保证探测器在恶劣环境下的可靠性。
本发明行列阵列只是实施例之一，三极管排列可以是任意形状，氢敏材料可以是矩形、圆形、环形等任意形状。如果氢气分离薄膜层2可以作为基底材料，本发明也可以取消基板1这一层。
一种基于阵列式氢气探测器的氢气检测方法，如图3所示，
氢气检测方法为：
S1、信号探测IC端根据信道通道顺序对M×N个探测点进行扫描检测，得到M×N个探测点传输回的一帧帧电压信号；
进一步地，信号探测IC端根据信道通道顺序对M×N个探测点进行扫描检测，得到M×N个探测点传输回的一帧帧电压信号包括：
S11、M×N个探测点通过唯一的信道通道与信号探测IC端电性连接；
S12、信号探测IC端发送固定的频率信号到每个三极管的栅极，以VGH电压控制三极管的栅极8开启，并发送固定信号给每个三极管的源极；然后三极管的栅极8关闭(处于VGL状态)，使得每个探测点中的存储电容的电压信号为固定的U值，此时存储电容与相应电阻变化感应模块中的氢敏薄膜形成串联的闭合回路，信号探测IC端检测到每个探测点传输回的一帧电压信号，每一帧电压信号又存储电容固定U值的电压信号和氢敏薄膜上的分压信号组成；
重复上述步骤控制三极管不间断的开启和关闭，进而得到每个探测点的一帧帧电压信号；
S2、信号探测IC端实时检测每个探测点传输回的电压值信号，并当检测到某个探测点前一帧电压信号与后一帧电压信号的变化超出阈值时，说明该探测点检测到氢气泄露，立即根据该探测点的信号传输通道对该探测点的位置进行定位。
阈值大小与为每个探测点的电压信号探测精度或者波动范围有关，例如电压信号的探测精度或者波动范围为1％，则如果前一帧电压信号与后一帧电压信号的变化或者差值超过1％，则说明该探测点探测到氢气泄露。
其中M和N的值可以根据具体使用场景的不同选用不同阵列大小的探测器，本发明的一种应用场景可以选用柔性材料作为基板1，制成一种可以布条状的阵列探测器，将其包裹在氢气输送管道上，基板1上的每个探测点实时探测管道不同位置是否发生氢气泄露，当某个探测点或者某几个探测点检测到氢气泄露时，根据该探测点传输回信号探测IC端的唯一信道通道确定该探测点的阵列位置，进而对探测到发生氢气泄露的探测点进行定位；如信号探测IC端3×5信道通道的前后帧电压信号发生变化，则可以定位到第3排第5列的探测点探测到氢气泄露，并根据该探测点氢敏材料的电阻变化计算出氢气的浓度。
氢气浓度检测方法为：
S1、根据探测点前一帧电压信号和后一帧电压信号的变化计算出氢敏薄膜上的分压信号的变化；
S2、根据串联闭合回路电流值不变的特点计算出氢敏薄膜的电阻变化情况；
S3、再根据氢敏薄膜本身电阻与氢气浓度的关系计算出探测点的氢气浓度。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阵列氢气探测器，其特征在于：包括基板(1)，基板(1)的上下任意面上设置有TFT器件层，另一面上设置有电阻变化感应层(3)；
所述的TFT器件层为多个成阵列分布的探测点(5)，所述的电阻变化感应层(3)被刻蚀成多个电阻变化感应模块，电阻变化感应模块的个数与探测点(5)的个数相同并对应，每个电阻变化感应模块下方的基板(1)上均开设有通孔(4)，通孔(4)内填充有金属，每个电阻变化感应模块通过通孔(4)内的金属与对应的探测点(5)实现电性连接；所述电阻变化感应层(3)的上方设置有氢气分离薄膜层(2)。
2.根据权利要求1所述的一种阵列氢气探测器，其特征在于：每个探测点(5)包括三极管和存储电容(11)以及COM引线(12)，所述三极管的漏极(10)与存储电容(11)一端电性连接，存储电容(11)的另一端通过通孔(4)内的金属与对应的电阻变化感应模块电性连接，同时另一端通过COM引线(12)接地或者接入相应的电压；所述三极管的栅极(8)和源极(9)电性连接信号探测IC端。
3.根据权利要求1或2所述的一种阵列式氢气探测器，其特征在于：每个电阻变化感应模块中包括由氢敏材料制成的氢敏薄膜(13)，通过氢敏薄膜(13)与相对应的探测点内的存储电容(11)电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种阵列式氢气探测器，其特征在于：所述的TFT器件层的下方还设置有加固保护探测器的器件保护层(7)；所述氢气分离薄膜层(2)的表面积大于电阻变化感应层(3)的表面积。
5.根据权利要求4所述的一种阵列式氢气探测器，其特征在于：所述TFT器件层与基板(1)之间设置有上钝化层；TFT器件层与器件保护层(7)下钝化层。
6.根据权利要求5所述的一种阵列式氢气探测器，其特征在于：所述电阻变化感应层(3)的下端面设置有比表面积衬底。
7.根据权利要求6所述的一种阵列式氢气探测器，其特征在于：所述基板(1)的材料为玻璃、PCB板或柔性树脂材料；
上钝化层和下钝化层材料包括氮化硅或者氧化硅。
8.根据权利要求7所述的一种阵列式氢气探测器，其特征在于：
在所述氢气分离薄膜层2作为基底材料时，则取消基板(1)。
9.根据权利要求1所述的一种基于阵列式氢气探测器的氢气检测方法，其特征在于：所述检测方法包括氢气泄露检测和氢气浓度检测；
所述的氢气泄露检测步骤为：
信号探测IC端根据信道通道顺序对M×N个探测点进行扫描检测，得到M×N个探测点传输回的一帧帧电压信号；
信号探测IC端实时检测每个探测点传输回的电压值信号，并当检测到某个探测点前一帧电压信号与后一帧电压信号的变化超出阈值时，则说明该探测点检测到氢气泄露，根据该探测点的信号传输通道对该探测点的位置进行定位；
所述氢气浓度检测步骤为：
根据探测点前一帧电压信号和后一帧电压信号的变化计算出氢敏薄膜上的分压信号的变化；
根据串联闭合回路电流值不变的特点计算出氢敏薄膜的电阻变化情况；
再根据氢敏薄膜本身电阻与氢气浓度的关系计算出探测点的氢气浓度。
10.根据权利要求9所述的一种基于阵列式氢气探测器的氢气检测方法，其特征在于：信号探测IC端进行扫描检测，得到M×N个探测点传输回的一帧帧电压信号包括：
M×N个探测点通过唯一的信道通道与信号探测IC端电性连接；信号探测IC端发送固定的频率信号到每个三极管的栅极，控制三极管开启，并发送固定信号给每个三极管的源极；然后三极管关闭，使得每个探测点中的存储电容的电压信号为固定的U值，此时存储电容与相应电阻变化感应模块中的氢敏薄膜(13)形成串联的闭合回路，信号探测IC端检测到每个探测点传输回的一帧电压信号，每一帧电压信号又存储电容固定U值的电压信号和氢敏薄膜上的分压信号组成；
重复上述步骤控制三极管不间断的开启和关闭，进而得到每个探测点的一帧帧电压信号。
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