CN116165255A - 一种多用途氢气传感器的结构﹑制备方法与应用模式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多用途氢气传感器的结构﹑制备方法与应用模式，氢气传感器包括第一加热电阻、第二加热电阻、测温电阻、测量端、钯合金薄膜组件、隔氢涂层、氢气选择性涂层和硅杯，整个传感器为中心对称结构，钯合金薄膜组件由四组中心对称的钯合金薄膜电阻构成，其中两个对角的钯合金薄膜电阻表面沉积有隔氢涂层作为内参比端，剩余两个对角的钯合金薄膜电阻表面沉积有氢气选择性涂层作为氢气感应端。本专利中，氢气感应端和内参比端为完全等效关系，因此可以实时消除温度场或气氛场变化而引发的信号漂移，显著提升了该氢气传感器的稳定性和可靠性，并使该氢气传感器具有多种可变的工作模式，分别为单电阻型冗余模式、带内参比结构的双电阻冗余模式和带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式。本发明还提供了一种可显著缩短氢气传感器响应与恢复时间的数据处理方法，使该氢气传感器能够可满足不同应用场景下的氢气含量检测需求及氢气泄露监测的需求。

Description

一种多用途氢气传感器的结构﹑制备方法与应用模式
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种多用途钯合金薄膜氢气传感器，本发明还涉及多用途钯合金薄膜传感器的设计与制备方法，属于氢气传感检测技术领域。
背景技术
氢能被公认为最具发展潜力的清洁能源，具有能量密度大、转化效率高、储量丰富和应用范围广泛等特点，已成为全球能源转型的核心。但氢气分子小、渗透性强，在生产、储存、运输和使用的过程中易发生泄漏，且由于氢气无色无味，不能被人鼻所察觉，且着火能量仅约为0.02mJ，空气中含量在4％～75％(v/v)范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。
高灵敏、高可靠氢气传感器是实现氢气泄露快速检测与在线动态监测、保障氢能安全产业链安全的核心基础器件。基于钯合金薄膜的氢气传感技术，实现了氢气的专一选择性响应，因此有望在氢能安全领域发挥更加重要的作用。基于钯合金薄膜的氢气传感器，存在两种不同的器件形式，一种是电阻型，另一种是电容型，其典型结构如专利CN1947007B所示。由于电阻型器件较易构建且更加契合氢能安全泄露监测的需求，因此现阶段电阻型钯合金薄膜氢气传感器研究较多。但在实际使用中发现，由于钯镍合金的自身不稳定特性，专利CN1947007B公开的电阻型钯合金薄膜氢气传感器存在空气中信号漂移、温度漂移、灵敏度低等问题，难以实现5000ppm以下氢气浓度的准确、快速检测。为了解决该问题，有学者提出了具有内参比结构的氢气传感器。
1997-1999年美国橡树林国家实验室的B.S.Hoffheins等(Evaluation of aHydrogen Sensor for Nuclear Reactor Containment Monitoring,CONF-970649；Low-cost Hydrogen Sensors:Technology Maturation Progress,ORNL 98307；Developmentof Low Cost Sensors For Hydrogen Safety Applications)设计了一种具有“Wheatstone Bridge”结构的全固态氢气传感器。该传感器采用钯纳米粒子构筑“Wheatstone Bridge”的四臂电阻，并将对角的两臂钯纳米粒子电阻用阻氢材料封闭作为参比端，剩余两臂的钯纳米粒子电阻作为氢气感应端，具备了传统“Wheatstone Bridge”的2倍灵敏度，响应时间缩短到至3秒。但该设计至少存在三个方面的缺点：1)采用钯纳米粒子为氢敏材料，并利用厚膜工艺构筑传感器件，回路电阻小，整体能耗较高，与现代微电子机械加工(MEMS)工艺不兼容；2)未考虑钯纳米粒子的氢敏响应与温度的相关性，缺乏控温或温度补偿设计，易受气流波动及气氛热导率影响，因此未能实现2000ppm以下氢气的检测；3)基于钯纳米粒子的氢气感应端未进行涂层保护，存在氧气、水汽干扰，以及一氧化碳、硫化氢、氮氧化物中毒的风险。
专利CN111948342B公开了一种由两个对称钯薄膜电阻构筑的氢气传感器，其中一个钯薄膜电阻作为氢气感应端，另一个用阻氢材料封闭作为参比端。该氢气传感器采用钯薄膜作为氢敏材料，为避免氢脆，该氢气传感器可检测的氢气浓度范围较小。同时，使用半导体制冷制热片为温控元件，大大增加了器件的复杂程度。专利CN112763660A公开了一种与专利CN111948342B原理相似的钯薄膜氢气传感器，改进之处在于一方面采用钯合金薄膜为氢敏材料，避免了氢脆，并将两个钯薄膜串联用于消除温度的影响，另一方面增加了硅槽设计改善了器件的热响应速度。但是，该氢气传感器本身并不是一个完整的“WheatstoneBridge”结构设计，无法完全发挥“Wheatstone Bridge”结构的优势。同时，两个钯合金薄膜为一体结构，存在氢气通过钯合金薄膜从氢气感应端串入参比端的问题，长期工作时存在信号漂移。
专利CN104677952A、CN204439589U、CN110426422A和CN109638942B均公开了具有“Wheatstone Bridge”结构的氢气传感器，但其器件构型或工作原理均与B.S.Hoffheins等报道的相似，改进之处在于采用了物理沉积的钯合金薄膜替代了钯纳米粒子厚膜，实现了MEMS的工艺兼容性。在这些专利中，均采用钯合金薄膜作为“Wheatstone Bridge”的四臂电阻，但一方面这些钯合金薄膜的设计均为一体结构，仍然避免不了专利CN112763660A存在的氢气串扰问题，造成氢气传感器的输出信号漂移甚至响应动力学慢等系列问题；另一方面，暴露的钯合金薄膜氢气感应端表面未进行涂层保护，仍旧存在氧气、水汽干扰，以及一氧化碳、硫化氢、氮氧化物中毒的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多用途钯合金薄膜氢气传感器，以解决现有钯合金薄膜氢气传感器存在的氢气串扰致使信号漂移、动力学响应慢的问题以及钯合金薄膜氢敏响应的干扰与中毒问题，实现不同应用需求下氢气含量的低成本、宽量程、高可靠传感检测。
本发明是这样实现的：
一种多用途氢气传感器的结构，包括衬底，第一加热电阻、第二加热电阻、测温电阻、测量端、钯合金薄膜组件、隔氢涂层、氢气选择性涂层和硅杯，所述测温电阻设置在该衬底正面的正中间，第一加热电阻、第二加热电阻关于测温电阻的中心点呈中心对称地分布在该衬底的相对两侧且完全等效，在第一加热电阻、第二加热电阻之间，所述测量端、钯合金薄膜组件、隔氢涂层、氢气选择性涂层各自分别关于测温电阻的中心点呈中心对称地分布在测温电阻的两侧且完全等效，衬底背面刻蚀形成有所述的硅杯，整个传感器为中心对称结构。
优选的，衬底为单晶硅片，表面经热氧化处理，生成的二氧化硅厚度为300nm～1000nm；所述单晶硅片正面采用等离子体增强真空沉积(PECVD)技术沉积致密氮化硅100nm～300nm，用作绝缘层。
优选的，第一加热电阻、第二加热电阻分布在该传感器的上下两侧且完全等效，第一加热电阻的两端分别设置有第一焊盘和第二焊盘，第二加热电阻的两端分别设置有第三焊盘和第四焊盘，第一加热电阻、第二加热电阻为金、铂、钨、镍铬合金中的任意一种材质。
第一加热电阻、第二加热电阻一般同时工作，为该传感器提供稳定且均匀的温度场所。
优选的，测温电阻两端分别设有第五金焊盘和第六金焊盘，测温电阻为采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备的镍材质。
通常，变送电路设计上将测温电阻和第一加热电、第二加热电阻组成一个信号自反馈回路，可实现该传感器温度的精确控制。
测量端包括第七、八、九、十焊盘且第七、八、九和十焊盘关于测温电阻的中心点呈中心对称地分布在测温电阻的上下两侧且完全等效。
钯合金薄膜组件包括四个完全等效且关于测温电阻的中心点呈中心对称地分布的钯合金薄膜电阻以及与四个钯合金薄膜电阻相连接的四个金焊盘，钯合金薄膜材质为采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备的钯镍、钯铬、钯金、钯铜、钯银、钯镁、钯钇二元合金中的任一种或钯金铜、钯金银三元合金中的任一种。
隔氢涂层将测温电阻和钯合金薄膜组件的两个对角钯合金薄膜电阻完全覆盖作为内参比端，剩余两个对角的钯合金薄膜电阻表面沉积有氢气选择性涂层作为氢气感应端。
优选的，第一～第十四焊盘为采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备的金焊盘。
测量端、钯合金薄膜组件和隔氢涂层共同构成了该传感器的氢气感应端和参比端。氢气感应端为5a-6a组合体和5d-6d组合体，暴露于氢气环境中时，引起钯合金薄膜电阻值改变；参比端为5b-6b组合体和5c-6c组合体，暴露于氢气环境中时，钯合金薄膜电阻值不发生改变。
为了提高钯合金薄膜的环境适应性、抗干扰和抗中毒能力，本专利在氢气感应端(即5a-6a组合体和5d-6d组合体)包络区域，表面沉积有致密的氢气选择性涂层，起到绝缘与氢气单一选择性渗透的效果。氢气选择性涂层的工作原理是体积排阻原理，即只允许氢气分子通过。氢气分子的动力学直径约为0.29nm，氧气分子的动力学直径约为0.34nm，而其他气体(如水蒸汽、一氧化碳、硫化氢、氮氧化物、烃类等)的分子动力学直径均大于0.34nm，因此只需将氢气选择性涂层的孔洞直径控制小于0.34nm即可实现氢气分子的选择性通过。氢气选择性涂层8的材质应选择性质稳定且与钯合金薄膜相容的材料，优选二氧化硅、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)、有机金属框架(ZIF-8)等材料。通常根据使用场景需求，为优选材料的二元或三元复合涂层。
为提高该传感器的热效率与热管理能力，本专利在该传感器的背部采用干法或湿法工艺刻蚀形成硅杯(腔)，显著降低了传感器的热量耗散，使该传感器可在较低的功耗和5s内即可快速的达到稳定工作状态。
本发明还提供了该多用途氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用热氧化工艺，在衬底表面制备厚度300nm～1000nm的二氧化硅；
(2)采用PECVD方法，在热氧化二氧化硅衬底表面制备致密厚度为100nm～300nm的致密氮化硅；
(3)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(2)基础上制备测温电阻，镍厚度为100nm～500nm；
(4)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(3)基础上制备钯合金薄膜电阻组件，厚度为50nm～200nm；
(5)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(4)基础上制备第一加热电阻、第二加热电阻，测量端和金焊盘，金金焊盘厚度为200nm～500nm；
(6)采用PECVD方法，在步骤(5)基础上沉积致密氮化硅层，厚度为100nm～500nm；在此基础上采用ALD方法，沉积致密氧化铝层，厚度为20nm～100nm，制备隔氢涂层；
(7)采用PECVD或磁控溅射或电阻热蒸发方法，在步骤(6)基础上制备致密氢气选择性涂层；
(8)采用湿法或干法刻蚀工艺，在衬底背面刻蚀形成硅杯(腔)；
(9)最后，激光划片，制备成多用途氢气传感器。
本发明还进一步提供了多用途氢气传感器的应用模式，是应用于检测环境中氢气含量，具体包括：
模式一：单电阻型冗余模式
单电阻型冗余模式下，该传感器的5a,b-6a组合体和5c,d-6d组合体可作为两个独立的氢气感应端使用。在该模式下，两个独立的氢气感应端是完全等效的冗余设计，因此具有非常高的可靠性。该模式下，氢气含量与氢气感应端的电阻值之间具有可靠的相关性。此外，配合相应的传感器数据处理方法，可使该模式既满足氢气泄露监测的快速响应要求，又满足氢气持续稳定检测的要求。
模式二：带内参比结构的双电阻型冗余模式
带内参比结构的双电阻型冗余模式下，该传感器的5a,b-6a-6b组合体和5c,d-6c-6d组合体可作为两个独立氢气检测单元使用。在该模式下，这两个氢气检测单元是完全等效的冗余设计，因此具有非常高的可靠性。该模式下，氢气检测单元一般需使用三个金焊盘，如5a-6a-6b或5b-6a-6b或5c-6c-6d或5d-6c-6d。其中5a,b-6a和5c,d-6d为氢气感应端，5a,b-6b和5c,d-6c为参比端。该模式下，氢气感应端和参比端处于等效的温度场和气氛场中，因此可以同步抵消因温度波动和环境导热系数波动而引发的信号漂移量。该模式下，氢气检测单元一般采用差分方式检测，且氢气含量与差分信号量之间具有可靠的相关性。此外，配合相应的传感器数据处理方法，可使该模式既满足氢气泄露监测的快速响应要求，又满足氢气持续稳定检测的要求。
模式三：带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式
带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式下，即将模式二中的两个氢气检测单元并联，形成双氢气感应端、双内参比的组合体。该模式不仅继承了模式二的所有优势，还进一步将灵敏度提升了2倍。该模式下通常检测“Wheatstone Bridge”差分电压信号，且氢气含量与差分电压信号量之间具有可靠的相关性。此外，配合相应的传感器数据处理方法(已同步申请发明专利)，可使该模式既满足氢气泄露监测的快速响应要求，又满足氢气持续稳定检测的要求。
本发明具有以下优点：
(1)本发明涉及一种多用途钯合金薄膜氢气传感器，对称冗余设计，具有高可靠性和环境适应性；
(2)本发明采用对称的双加热电阻工作方式，配合背面硅杯(腔)，具有低功耗，5s内达到稳定工作状态的能力；
(3)本发明设计有测温电阻，可原位测量传感器的实时温度，与双加热电阻配合，可保证该氢气传感器具有稳定、可控的温度场；
(4)本发明设计有四个独立的钯合金薄膜电阻，为中心对称结构，具有完全等效的电气性质，且独立工作不相互干扰；
(5)本发明中对角两个钯合金薄膜电阻表面沉积有隔氢涂层，对氢气不敏感，作为参比端；剩余对角两个钯合金薄膜表面沉积有氢气选择性涂层，对氢气专一响应，作为氢气感应端；
(6)本发明设计的氢气传感器具备三种工作模式，满足不同应用场景下的氢气泄露监测和氢气含量长期检测要求；
(7)本发明氢气传感器的单电阻型冗余模式和带内参比结构的电阻型冗余模式，均为冗余工作方式，具有显著增强的可靠性；
(8)本发明氢气传感器的带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式，2倍灵敏度；
(9)本发明氢气传感器使用特定的数据处理方法，可显著的缩短检测时间至3s以内，满足氢气泄露监测的需求；
(10)本发明氢气传感器工作时不要氧气参与，在有氧或无氧惰性气体环境中均能正常工作；
(11)本发明氢气传感器成本低，与现有MEMS工艺兼容，可批量生产。
附图说明
图1多用途氢气传感器的正面结构示意图；
图2多用途氢气传感器的剖面结构示意图；
图3多用途氢气传感器单电阻冗余模式工作原理图；
图4多用途氢气传感器带内参比结构的电阻型冗余模式工作原理图；
图5多用途氢气传感器带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式工作原理图；
图6多用途氢气传感器缩短检测时间的数据处理方法效果示例。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：一种多用途氢气传感器
如附图1和图2所示，一种多用途氢气传感器，包括衬底1，第一加热电阻2、第二加热电阻3，测温电阻4，测量端5，钯合金薄膜组件6，隔氢涂层7，氢气选择性涂层8和硅杯9(或称硅腔)。整个传感器为中心对称结构。
衬底1优选为单晶硅片，表面经热氧化处理，生成的二氧化硅厚度为300nm～1000nm；用于制备氢气传感器的硅片正面采用等离子体增强真空沉积(PECVD)技术沉积致密氮化硅100nm～300nm，用作绝缘层。
第一加热电阻2、第二加热电阻3分布在该传感器的上下两侧且完全等效，且两端分别设计有两个焊盘(即第一焊盘2a、第二焊盘2b、第三焊盘3c、第四焊盘3d)，焊盘材质为金。第一加热电阻2、第二加热电阻3应选用空气环境中高温下材质稳定且热效率高的导电材料制备，如金、铂、钨、镍铬合金等。本专利中优选金，并采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备。第一加热电阻2、第二加热电阻3一般同时工作，为该传感器提供稳定且均匀的温度场。
测温电阻4在该传感器的正中间，两端分别有第五焊盘4a和第六焊盘4b(材质为金)。测温电阻4应选用电阻温度系数大且与温度具有严格线性相关性的材料制备，如铂、镍等。本专利中优选镍，并采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备。通常，变送电路设计上将测温电阻4和第一加热电阻2、第二加热电阻3组成一个信号自反馈回路，可实现该传感器温度的精确控制。
测量端5为上下、左右对称结构，应选用对氢气不敏感且低氢渗透率的导电材质制备，本专利中优选金，并采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备。测量端5共有四个金焊盘(即第七焊盘5a、第八焊盘5b、第九焊盘5c、第十焊盘5d)，其中5a与5b等效，5c和5d等效。
钯合金薄膜组件6为中心对称结构，共有4个完全等效且独立分布的钯合金薄膜电阻。钯合金薄膜材质可为钯镍、钯铬、钯金、钯铜、钯银、钯镁、钯钇等二元合金，也可为钯金铜、钯金银等三元合金，并采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备，具体为采用钯合金靶材或多层金属膜-热处理合金化工艺制备。钯合金薄膜组件6共有4个金焊盘，分别为第十一焊盘6a、第十二焊盘6b、第十三焊盘6c和第十四焊盘6d。
隔氢涂层7具有中心对称结构，结构上将测温电阻4和钯合金薄膜组件6的两个对角钯合金薄膜电阻完全覆盖，且不侵犯毗邻的金焊盘或测量端5。隔氢涂层7应选用对氢气具有阻隔效应的单层或多层材料制备，本专利优选氮化硅和氧化铝的组合涂层，其中致密氮化硅采用PECVD方法制备，厚度为100nm～500nm，氧化铝采用原子层沉积(ALD)方法制备，厚度不低于20nm～100nm。
测量端5、钯合金薄膜组件6和隔氢涂层7共同构成了该传感器的氢气感应端和参比端。氢气感应端为5a-6a组合体和5d-6d组合体，暴露于氢气环境中时，引起钯合金薄膜电阻值改变；参比端为5b-6b组合体和5c-6c组合体，暴露于氢气环境中时，钯合金薄膜电阻值不发生改变。
为了提高钯合金薄膜的环境适应性、抗干扰和抗中毒能力，本专利在氢气感应端(即5a-6a组合体和5d-6d组合体)包络区域，表面沉积有致密的氢气选择性涂层8，起到绝缘与氢气单一选择性渗透的效果。氢气选择性涂层8的工作原理是体积排阻原理，即只允许氢气分子通过。氢气分子的动力学直径约为0.29nm，氧气分子的动力学直径约为0.34nm，而其他气体(如水蒸汽、一氧化碳、硫化氢、氮氧化物、烃类等)的分子动力学直径均大于0.34nm，因此只需将氢气选择性涂层的孔洞直径控制小于0.34nm即可实现氢气分子的选择性通过。氢气选择性涂层8的材质应选择性质稳定且与钯合金薄膜相容的材料，优选二氧化硅、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)、有机金属框架(ZIF-8)等材料。通常根据使用场景需求，为优选材料的二元或三元复合涂层。
为提高该传感器的热效率与热管理能力，本专利在该传感器的背部采用干法或湿法工艺刻蚀形成硅杯(或叫硅腔)，显著降低了传感器的热量耗散，使该传感器可在较低的功耗和5s内即可快速的达到稳定工作状态。
作为一个优化的实施例，本发明的钯合金薄膜组件可以更换为其他对氢气具有响应的氢敏材料，如本征态或掺杂态半导体金属氧化物，钯、铂、锆、钒等金属薄膜等材料，仍能达到本专利的类似效果。
实施例2：一种多用途氢气传感器的制备方法
本实施例提供了一种多用途氢气传感器的制备方法，包括：
(1)采用热氧化工艺，在衬底1表面制备厚度300nm的二氧化硅；
(2)采用PECVD方法，在热氧化二氧化硅衬底1表面制备致密厚度为150nm的致密氮化硅；
(3)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(2)基础上制备测温电阻4，镍厚度为100nm；
(4)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(3)基础上制备钯合金薄膜电阻组件6，厚度为50nm；
(5)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(4)基础上制备第一加热电阻2、第二加热电阻3，测量端5和金焊盘，金厚度为300nm；
(6)采用PECVD方法，在步骤(5)基础上沉积致密氮化硅层，厚度为200nm；在此基础上采用ALD方法，沉积致密氧化铝层，厚度为20nm，制备隔氢涂层7；
(7)采用PECVD或磁控溅射或电阻热蒸发方法，在步骤(6)基础上制备致密氢气选择性涂层8；
(8)采用湿法或干法刻蚀工艺，在衬底1背面刻蚀形成硅杯9；
(9)最后，激光划片，制备成多用途氢气传感器。
实施例三：单电阻型冗余模式
如附图3所示，单电阻型冗余模式下，该传感器的5a,b-6a组合体和5c,d-6d组合体可作为两个独立的氢气感应端使用。在该模式下，两个独立的氢气感应端是完全等效的冗余设计，因此具有非常高的可靠性。该模式下，氢气含量与氢气感应端的电阻值之间具有可靠的相关性。此外，配合相应的传感器数据处理方法，可使该模式既满足氢气泄露监测的快速响应要求，又满足氢气持续稳定检测的要求。
实施例四：带内参比结构的双电阻型冗余模式
如附图4所示，带内参比结构的双电阻型冗余模式下，该传感器的5a,b-6a-6b组合体和5c,d-6c-6d组合体可作为两个独立氢气检测单元使用。在该模式下，这两个氢气检测单元是完全等效的冗余设计，因此具有非常高的可靠性。该模式下，氢气检测单元一般需使用三个金焊盘，如5a-6a-6b或5b-6a-6b或5c-6c-6d或5d-6c-6d。其中5a,b-6a和5c,d-6d为氢气感应端，5a,b-6b和5c,d-6c为参比端。该模式下，氢气感应端和参比端处于等效的温度场和气氛场中，因此可以同步抵消因温度波动和环境导热系数波动而引发的信号漂移量。该模式下，氢气检测单元一般采用差分方式检测(△V或△R)，且氢气含量与差分信号量之间具有可靠的相关性。此外，配合相应的传感器数据处理方法，可使该模式既满足氢气泄露监测的快速响应要求，又满足氢气持续稳定检测的要求。
实施例五：带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式
如附图5所示，带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式下，即将模式二中的两个氢气检测单元并联，形成双氢气感应端、双内参比的组合体。该模式不仅继承了模式二的所有优势，还进一步将灵敏度提升了2倍。该模式下通常检测“Wheatstone Bridge”差分电压信号(△V)，且氢气含量与△V之间具有可靠的相关性。此外，配合相应的传感器数据处理方法，可使该模式既满足氢气泄露监测的快速响应要求，又满足氢气持续稳定检测的要求。
实施例六：缩短检测时间的数据处理方法
如附图6所示，钯合金薄膜电阻在20℃下对空气中氢气的电阻值变化曲线，将钯合金薄膜电阻变化曲线取1阶导数，1阶导数的最大值或最小值与氢气含量之间均可以建立稳健的相关性。钯合金薄膜电阻在20℃下对3％空中氢的响应t90时间为400秒、恢复t90时间为1200秒，而通过本专利数据处理方法，响应与恢复t90时间均可直接缩短至100秒，进一步的在80℃下对3％空中氢的响应与恢复t90时间均缩短至3秒以内。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种多用途氢气传感器的结构，其特征在于，包括衬底(1)，第一加热电阻(2)、第二加热电阻(3)、测温电阻(4)、测量端(5)、钯合金薄膜组件(6)、隔氢涂层(7)、氢气选择性涂层(8)和硅杯(9)，所述测温电阻(4)设置在该衬底(1)正面的正中间，第一加热电阻(2)、第二加热电阻(3)关于测温电阻(4)的中心点呈中心对称地分布在该衬底(1)的相对两侧且完全等效，在第一加热电阻(2)、第二加热电阻(3)之间，所述测量端(5)、钯合金薄膜组件(6)、隔氢涂层(7)、氢气选择性涂层(8)各自分别关于测温电阻(4)的中心点呈中心对称地分布在测温电阻(4)的两侧且完全等效，衬底(1)背面刻蚀形成有所述的硅杯(9)。
2.根据权利要求1所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，衬底(1)为单晶硅片，表面经热氧化处理，生成的二氧化硅厚度为300nm～1000nm；所述单晶硅片正面采用等离子体增强真空沉积技术沉积致密氮化硅100nm～300nm，用作绝缘层。
3.根据权利要求2所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，第一加热电阻2)的两端分别设置有第一焊盘(2a)和第二焊盘(2b)，第二加热电阻(3)的两端分别设置有第三焊盘(3a)和第四焊盘(3b)，第一加热电阻(2)、第二加热电阻(3)为金、铂、钨、镍铬合金中的任意一种材质。
4.根据权利要求3所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，测温电阻(4)两端分别设有第五金焊盘(4a)和第六金焊盘(4b)，测温电阻(4)为采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备的镍材质。
5.根据权利要求4所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，测量端(5)包括第七、八、九、十焊盘(5a、5b、5c、5d)且第七、八、九、十焊盘(5a、5b、5c、5d)关于测温电阻(4)的中心点呈中心对称地分布在测温电阻(4)的上下两侧且完全等效。
6.根据权利要求5所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，钯合金薄膜组件(6包括四个完全等效且关于测温电阻(4)的中心点呈中心对称地分布的钯合金薄膜电阻以及与四个钯合金薄膜电阻相连接的四个金焊盘，钯合金薄膜材质为采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备的钯镍、钯铬、钯金、钯铜、钯银、钯镁、钯钇二元合金中的任一种或钯金铜、钯金银三元合金中的任一种。
7.根据权利要求6所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，隔氢涂层(7)将测温电阻(4)和钯合金薄膜组件(6)的两个对角钯合金薄膜电阻完全覆盖作为内参比端，剩余两个对角的钯合金薄膜电阻表面沉积有氢气选择性涂层(8)作为氢气感应端。
8.根据权利要求7所述的多用途氢气传感器的结构，其特征在于，第一～第十四焊盘为采用电子束蒸发或磁控溅射方法制备的金焊盘。
9.一种多用途氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用热氧化工艺，在衬底(1)表面制备厚度300nm～1000nm的二氧化硅；
(2)采用PECVD方法，在热氧化二氧化硅衬底(1)表面制备致密厚度为100nm～300nm的致密氮化硅；
(3)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(2)基础上制备测温电阻(4)，镍材质的厚度为100nm～500nm；
(4)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(3)基础上制备钯合金薄膜电阻组件6)，厚度为50nm～200nm；
(5)采用电子束蒸发或磁控溅射工艺，在步骤(4)基础上制备第一加热电阻(2)、第二加热电阻3)，测量端5)和第一～第十四焊盘，金焊盘厚度为200nm～500nm；
(6)采用PECVD方法，在步骤(5)基础上沉积致密氮化硅层，厚度为100nm～500nm；在此基础上采用ALD方法，沉积致密氧化铝层，厚度为20nm～100nm，制备隔氢涂层(7)；
(7)采用PECVD或磁控溅射或电阻热蒸发方法，在步骤(6)基础上制备致密氢气选择性涂层8；
(8)采用湿法或干法刻蚀工艺，在衬底1背面刻蚀形成硅杯(9)；
(9)最后，激光划片，制备成多用途氢气传感器。
10.一种多用途氢气传感器的应用模式，应用于检测环境中氢气含量，其特征在于，包括包括如下几种模式：
模式一：单电阻型冗余模式；
单电阻型冗余模式下，该传感器的(5a,b-6a)组合体和(5c,d-6d)组合体可作为两个独立的氢气感应端使用；
模式二：带内参比结构的双电阻型冗余模式；
带内参比结构的双电阻型冗余模式下，该传感器的(5a,b-6a-6b)组合体和(5c,d-6c-6d)组合体可作为两个独立氢气检测单元使用；
模式三：带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式；
带内参比结构的“Wheatstone Bridge”模式下，即将模式二中的两个氢气检测单元并联，形成双氢气感应端、双内参比的组合体。
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