CN115684293A

CN115684293A - 一种催化半导体双模氢气传感器

Info

Publication number: CN115684293A
Application number: CN202211361138.5A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 胡书豪; 王远西
Original assignee: Shanghai Hepe Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Hepe Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-11-02
Also published as: CN115684293B

Abstract

本发明提供一种催化半导体双模氢气传感器，整体结构为惠斯通电桥结构，通过两条并联支路中每条支路中两个串联元件之间电压差值来判定氢气浓度；在此基础上将半导体材料与催化燃烧式电阻并联连接。本发明的目的在于提供一种氢气传感器，在较大浓度变化范围下任一浓度均能够达到高精度检测；即用于高精度(<10ppm)、响应时间小于1s、可检测浓度范围为10‑40000ppm(0.001％‑4％)的氢气传感器。

Description

一种催化半导体双模氢气传感器

技术领域

本发明属于气体传感器领域，具体涉及一种氢气传感器，尤其是涉及一种催化半导体双模氢气传感器。

背景技术

能源是国民经济发展的重要支撑，世界经济的现代化得益于石油、天然气、煤炭等不可再生能源。但对这些能源的过度使用终将使其接近枯竭，一种更加清洁的可再生的新能源显得日益重要。氢气作为化学元素中最轻的元素，也是最小的分子，由于氢的密度低，扩散率高，氢在空气中的扩散速度比汽油快很多，一旦氢气泄露便会迅速扩散，高分散性使得氢比其他气体更难被控制，因此氢燃料的一个主要技术挑战是它的运输和存储。

氢气具有较大易燃范围，4％-75％。如何科学有效对氢气浓度进行检测，减少或防止氢气爆炸等工程问题就显得尤为重要。从技术角度分析，氢气传感器可以有效对氢气浓度进行检测，一旦有氢气泄露，传感器就能够实现对氢气快速捕捉和检测。

氢气传感器根据其工作原理可以主要分为电化学型、光学型、电阻型等类。现在主流的氢传感器的原理主要是催化燃烧式和半导体式。

催化燃烧式传感器其由敏感元件和补偿原元件组成。敏感元件和敏感体上含有催化剂，补偿元件的敏感体不含催化剂，是用于补偿环境温度湿度变化对氢气传感器输出的影响。催化燃烧式氢气传感器工作时，氢气传感器自身的铂丝在外加电压的条件下产生热量，使敏感体的温度达到约200-300℃。在该温度下，当氢气超过1000ppm时会在催化剂的作用下与空气中的氧接触发生氧化反应，产生反应热，使作为加热丝的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，待测气氛中氢气的体积分数都不太高，低于4％，氢气可以完全燃烧，其发热量与氢气浓度有关。待测气氛中氢气体积分数越大，反应热越大，铂丝的温度增高越大，其阻值增加越大。因此，只要测定铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可以检测氢气浓度，C_H＝f(ΔR)，C_H为氢气浓度，每一个ΔR都对应着一个浓度值。但是由于使空气燃烧需要一定量的浓度，该浓度界限为1000ppm，故催化燃烧式气体传感器在1000ppm浓度以下，不会工作。

半导体式氢气传感器由贵金属催化剂、金属氧化物等氢敏材料组成。其属于表面敏感型传感器，不会像催化燃烧一样产生较高的温度，氢气接触材料之后，半导体材料的电导率发生变化，进而实现氢气测量。虽然半导体传感器测量精度较高，但是其稳定性低，受环境影响比较大，且半导体传感器存在传感器漂移现象，故其应用仍然具有一定的局限性。

惠斯通电桥结构，通过两条并联支路中每条支路中两个串联元件之间电压差值来判定氢气浓度的原理为：在空气状态下时，以图1为例，两条并联支路中两个串联元件之间节点的电压可表示为

当R₁₁＝R₁₃，R₁₂＝R₁₄时，V₀＝0。其中13号元件与氢气发生反应并导致阻值R₁₃发生变化时，R₁₁≠R₁₃，导致V₀≠0，氢气浓度与电压V₀之间可以建立相对应的关系，从而确定氢气浓度，该种关系的建立主要在控制板中实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气传感器，在较大浓度变化范围下任一浓度均能够达到高精度检测。

一种催化半导体双模氢气传感器，整体结构为惠斯通电桥结构，通过两条并联支路中每条支路中两个串联元件之间电压差值来判定氢气浓度；在此基础上将半导体材料与催化燃烧式电阻并联连接。

一种催化半导体双模氢气传感器，整体结构为惠斯通电桥结构，包括两条并联支路；

一条并联支路的串联元件由基准电阻A11和基准电阻B12组成；

另一条并联支路的串联元件由并联结构13和催化燃烧模块A14组成，所述并联结构13由催化燃烧模块B7a、半导体模块8组成。

进一步的，所述基准电阻11与所述并联结构13在室温常压下阻值相同，所述基准电阻12与所述催化燃烧模块14A在室温常压下阻值相同。

进一步的，所述半导体模块8的材料为掺杂有过渡元素的In₂O₃或SnO₂。

进一步的，所述半导体模块8中掺杂的过渡元素包括Pb、Rh、Ru、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Cd、Ir、Os、Ta、Hf、镧系元素和锕系元素；掺杂浓度为0.01％-3％；所述半导体模块8的材料优选为掺杂0.05％ Pb的In₂O₃。

进一步的，所述催化燃烧模块B7a、半导体模块8涂有催化气敏层Pt催化剂。

进一步的，所述催化燃烧模块B7a与催化燃烧模块A14的形状包括直线型，宽度为0.01cm-5cm；表面积相应可变。

进一步的，所述半导体模块8的材料的形状包括直线型，宽度为0.01cm-2cm；表面积相应可变。

进一步的，一种催化半导体双模氢气传感器，还包括：加热电极2、陶瓷基底5、隔热绝缘层4、硅基6、导电材料9。

进一步的，所述导电材料9为Pt或Au或Ag或Cu或Al或Ni或W或Ag/Pd合金或Pt/Au合金中的一种。

本发明的技术效果：

(1)本发明所述氢气传感器可用于高精度(<10ppm)、响应时间小于1s、可检测浓度范围为10-40000ppm(0.001％-4％)的氢气检测。

(2)本发明所述氢气传感器采用了立体结构设计，结构较其他类型传感器尺寸小，能满足各种小空间内应用的需求，包括空间较小且分布复杂的汽车内部或者复杂机械内部等。

(3)本发明所述氢气传感器采用双模结构，半导体与催化燃烧两种原理在检测气体的工作浓度上互有重叠，稳定性与精度相比于单一原理气体传感器更高，寿命更长。

附图说明

附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1示出了本发明的简化结构示意图；

图2示出了本发明的结构的侧视图；

图3示出了本发明的结构的俯视图；

图4示出了本发明的具体实施例1的电路结构示意图；

图5示出了本发明的具体实施例2的电路结构示意图；

图6示出了本发明的具体实施例3的电路结构示意图；

图7示出了本发明的具体实施例4的电路结构示意图。

附图标记：

11-基准电阻A，

12-基准电阻B，

13-并联结构，

14-催化燃烧模块A，

7a-催化燃烧模块B，

8-半导体模块，

2-加热电极，

4-隔热绝缘层，

5-陶瓷基底，

6-硅基，

9-导电材料。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

具体实施例1

如图4所示，并联结构13中仅有涂有Pt催化剂的催化燃烧模块B7a，半导体模块8未与催化燃烧模块B7a发生并联。半导体模块8而是与未涂有催化剂的催化燃烧模块A14发生并联。在催化燃烧模块工作时，可以降低半导体模块8的温度，降低催化燃烧模块对半导体模块所带来的温度干扰，总而增加传感器的稳定性。

具体实施例2

如图5所示，图1中的基准电阻A11、基准电阻B12未置于敏感层内部，而是放在敏感层外部。由于基准电阻A11、基准电阻B12元件作为基准电阻，不与气体发生反应，故其位置不需要固定在敏感层内部，因此也可以放在外部，从而减少敏感层的体积。

具体实施例3

如图6所示，图4中的加热电极2贯穿隔热绝缘层4。增加传感器的启动速度，减少启动时间，并且由于加热电极2未与基准电阻直接接触，故对参考元件影响较小。

具体实施例4

如图7所示，图2中的基准电阻A11、基准电阻B12未贯穿陶瓷基底。进一步减少加热电极2对基准电阻的影响，从而增加其测量的准确度。

以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种催化半导体双模氢气传感器，其特征在于，

整体结构为惠斯通电桥结构，包括两条并联支路；

一条并联支路的串联元件由基准电阻A(11)和基准电阻B(12)组成；

另一条并联支路的串联元件由并联结构(13)和催化燃烧模块A(14)组成，所述并联结构(13)由催化燃烧模块B(7a)、半导体模块(8)组成。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述基准电阻(11)与所述并联结构(13)在室温常压下阻值相同，所述基准电阻(12)与所述催化燃烧模块A(14)在室温常压下阻值相同。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述半导体模块(8)的材料为掺杂有过渡元素的In₂O₃或SnO₂。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述半导体模块(8)中掺杂的过渡元素包括Pb、Rh、Ru、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Cd、Ir、Os、Ta、Hf、镧系元素和锕系元素；掺杂浓度为0.01％-3％。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述催化燃烧模块B(7a)、半导体模块(8)涂有催化气敏层Pt催化剂。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述催化燃烧模块B(7a)与催化燃烧模块A(14)的形状包括直线型，宽度为0.01cm-5cm。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述半导体模块(8)的材料的形状包括直线型，宽度为0.01cm-2cm。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括：加热电极(2)、陶瓷基底(5)、隔热绝缘层(4)、硅基(6)、导电材料(9)。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述导电材料(9)为Pt或Au或Ag或Cu或Al或Ni或W或Ag/Pd合金或Pt/Au合金中的一种。