CN117425821A - 具备一体化结构的气体热传导式氢气传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开如下具备一体化结构的氢气传感器：在恶劣的环境中也可以使用，不仅大幅缩小传感器的体积，还使因湿度带来的影响最小化，易于以低成本大量生产。

Description

具备一体化结构的气体热传导式氢气传感器
技术领域
本发明涉及具备一体化结构的气体热传导式氢气传感器。
背景技术
随着新型清洁能源中的终极利用氢气的能源生产技术飞速发展，近来氢气燃料电池车的生产量也快速增长。
氢气燃料电池电动车(FCEV，Fuel Cell Electric Vehicle)为利用通过储存在车辆中的氢气与大气中的空气的结合产生的电能驱动的百分之百无污染的车辆。上述氢气燃料电池电动车设置将化学能转化为电能的装置来替代传统车辆的燃料箱。
氢气燃料电池电动车设置有燃料电池堆、氢气供应装置、空气供应装置、热管理装置以及氢气储存装置。
其中，氢气供应及储存装置为储存相当于氢气燃料电池电动车的燃料的氢气并向电池堆移送规定量的氢气的系统。为了管理所供应的氢气，需要监控及管理氢气的压力、整体的温度变化、氢气的泄漏等。
氢气传感器分为感测氢气气体泄漏的氢气气体泄漏感测传感器和管理氢气浓度的氢气浓度传感器。上述氢气气体泄漏感测传感器应用在氢气燃料电池电动车中的氢气储存容器附近、氢气移送配管系统的接缝附近、电池堆周围以及车辆室内等，氢气浓度传感器则应用在电池堆出口附近或氢气稀释剂排气装置附近。
尤其，氢气气体泄漏感测传感器作为直接探测氢气气体的技术，是为应对氢燃料箱里以高压压缩的氢气的爆炸危险而必需的传感器。
氢气气体的探测技术大体分为热线型半导体式、接触燃烧式、气体热传导式，现在正研究开发中的方式有光学式及场效应晶体管(FET，Field Effect Transistor)方式、复合材料透过膜方式等。
热先行半导体式为通过金属配线两端所示的电阻值变化来测定在金属色氧化物半导体表面通过气体吸附的电阻变化的方式。并且，接触燃烧式由与可燃性气体反应的感测试片和不反应的补偿试片两个元件构成，当暴露于可燃性气体时，通过与补偿试片的电阻差异测定感测试片的温度上升。并且，气体热传导式通过气体的热传导度的差异来测定发热体的温度变化。
上述方式根据氢气浓度的不同而不同，如图1所示，低浓度氢气的探测使用热线型半导体式，高浓度氢气的探测使用接触燃烧式。
接触燃烧式氢气传感器所具有的能够探测高浓度氢气的优点，但由于催化剂的劣化而具有长期可靠性的问题。
作为对此的应对方案，提出了能够在高浓度的测定中使用的气体热传导式氢气传感器。气体或水蒸气的传导度为物理性质，不发生催化剂的质量降低或毒性化的问题，因此可以保持长时间的稳定状态。
市面上出售的氢气传感器设置有补偿试片和感测试片，通过硅的精细加工构成具有隔热部(heat isolation)的膜，将它们分别安装在具有开放帽的封装和具有封闭帽的封装内。具有上述结构的氢气传感器同时使用互不相同的两个单独的封装，因此体积大。
尤其，用于感测泄漏的氢气传感器应用在氢气储存容器附近、氢气移送配管系统的接缝附近、电池堆周围以及车辆室内等，因此实际上受限于安装在车辆内有限的空间内。并且，两个单独组装的传感器在降低成本方面也受限。
另一方面，氢气传感器在外部环境，尤其是湿度高的情况下，因水蒸气使热传导度发生变化而发生测量误差。于是提出与氢气传感器同时附着追加的湿度传感器来额外修正湿度的方法，但这又带来增加成本的新的问题。
专利文献1：KR公开第10-2015-0030495号(2015年03月20日公开)
专利文献2：KR公开第10-2017-0114985号(2017年10月16日公开)。
发明内容
技术问题
本发明人利用氢气气体的热传导比其他气体相对较大的原理来制造传感器，在使用一个芯片形成传感部和参照部并设置在同一个封装(package)内的情况下，不仅在缩小传感器体积的同时使制造工序简单化，还可以通过在芯片内部设置能够发热的加热器以能够在不受湿度影响的温度下感测，从而可以提高氢气传感器的响应特性和准确性。
因此，本发明的目的在于，提供具备一体化结构的气体热传导式氢气传感器。
技术方案
为了以气体热传导方式感测氢气，本发明提供设置有为了在内部收纳芯片而由底座与帽接合而成的外壳的具备一体化结构的氢气传感器。
上述芯片包括：基板；两个膜，在上述基板上隔开规定间隔形成，分别形成传感部及参照部；加热器，分别在上述膜的中心区域形成，用于加热至感测温度来产生焦耳热(Joule heat)；电极极板，与上述膜及加热器隔开规定距离形成；以及一个以上的开放孔，在与上述传感部相对应的底座的规定区域形成，以使上述传感部能够与气体接触。
上述开放孔H的直径D满足下述式1。
式1
D＜a+2T/(tanθ)
在上述式中，
D为开放孔的直径，
a为传感部的膜的边长，
T为基板的厚度，
θ为90度以下。
上述基板具有后表面被蚀刻的结构以使传感部和参照部形成隔热(heatisolation)结构。
上述膜可以为包含氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)及氮氧化硅(SiOxNy)中的一种以上的单层或多层薄膜。
上述加热器能够加热到400℃以上。
由上述芯片与帽形成的内部区域注入空气、惰性气体中的一种以上。
并且，本发明提供具备一体化结构的氢气传感器的制造方法，包括：
步骤S1，在基板上蒸镀绝缘膜后，通过蚀刻来形成膜；
步骤S2，在上述膜上形成导电薄膜后，通过蚀刻来形成加热器；
步骤S3，在上述基板上蒸镀电极材质后，通过蚀刻来形成电极极板；
步骤S4，在未形成上述膜的基板的后表面进行蚀刻，以使传感部和参照部形成隔热结构；
步骤S5，准备在规定区域设置有一个以上的开放孔H的底座；
步骤S6，在上述底座安装芯片；以及
步骤S7，接合上述底座与帽。
发明的效果
本发明的气体热传导式氢气传感器可以探测氢气气体。
上述氢气传感器具有在一个封装内设置传感部及感测部的一体化结构，与现有的两个单独封装的传感器相比，体积大幅缩小，从而非常易于安装在有限的室内空间。
并且，上述氢气传感器不仅易于制造，还可以大幅降低生产成本，因此在同类产品中具有竞争力。
同时，将设置在传感部和参照部的加热器上升到特定温度以上，可以通过提高对湿度的选择性来排除湿度带来的影响，从而可以在没有用于湿度修正的传感器的情况下使用。
附图说明
图1为可以根据氢气浓度使用的氢气传感器。
图2为本发明的氢气传感器的剖面图。
图3a为本发明的芯片的主视图，图3b为本发明芯片的Q-Q'的剖面图。
图4为流体随着温度的热传导度。
图5a为本发明一实例的芯片的主视图，图5b为本发明的一实例的芯片的照片。
图6是为确认本发明的氢气传感器特性而构成的电路。
最佳实施方式
根据本发明的一实例，涉及具备一体化结构的氢气传感器，为了以气体热传导方式感测氢气，设置有为了在内部收纳芯片而由底座与帽接合而成的外壳，上述芯片包括：基板；两个膜，在上述基板隔开规定间隔形成，分别形成传感部及参照部；加热器，分别在上述膜的中心区域形成，用于加热至感测温度来产生焦耳热；电极极板，与上述膜及加热器隔开规定距离形成；以及一个以上的开放孔，在与上述传感部相对应的底座的规定区域形成，以使上述传感部能够与气体接触。
其中，上述开放孔H的直径D满足下述式1。
式1
D＜(a+2T)/tanθ
在上述式中，
D为开放孔的直径，
a为传感部的膜的边长，
T为基板的厚度，
θ为90度以下。
具体实施方式
本发明的热传导式氢气传感器在使传感器体积最小化的同时以不受氢气以外的外部因素，尤其不受湿度影响的方式设计。
传感器体积的最小化可以通过将传感部(sensing element)与参照部(referenceelement)形成为一个芯片并设置在一个封装内来实现，因外部环境，即，因湿度引起的影响通过设置在芯片内的加热器部来解决。
以下，参照附图来更为详细地说明。
图2为示出本发明的具备一体化结构的氢气传感器的剖面图，图3a为芯片的主视图，图3b为芯片的剖面图。
观察图2、图3，氢气传感器为了收纳内部的芯片50而构成由底座10(stem)与帽20接合而成的外壳。
在底座10上通过芯片键合来形成封装，传感器内部为防止外部气体的流入而具有使用帽20接合的结构。
在底座10的中心部形成芯片50，设置有多个贯通孔以能够使多个连接销43通过。
帽20为覆盖安装在上述底座10上的芯片50而形成，其形状不受限制，可以具有圆筒形状并与底座10紧固。
芯片50包括在基板31上分别形成传感部30a及参照部30b的膜32a、32b，还包括加热器33a、33b以及电极极板34a、34b、34c。
基板31可以利用硅基板31，在需要的情况下还可以使用玻璃、蓝宝石或石英基板。在此情况下，形成有上述加热器33a、33b的基板31的中心区域后表面形成被蚀刻去除的结构，即，使传感部和参照部形成隔热结构。
膜32a、32b(membrane)形成一对以能够形成传感部30a及参照部30b，隔开规定间隔以相向的方式设置。
形成传感部30a的膜32a与形成参照部30b的膜(32b)的大小可以相同或不同，但以相同为优选。
膜32a、32b可以同时具有机械物性和耐热性的材质，在基板31后表面蚀刻时起到防蚀刻层的作用，起到加热器33a、33b的支架的作用。并且，可以在上述加热器33a、33b加热时防止芯片50因发热引起的变形。优选地，上述膜32a、32b包含氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的一种以上来层叠。作为一例，膜32a、32b可以为如氧化硅/氮化硅/氧化硅的多层薄膜形态。
另一方面，本发明的氢气传感器为排除外部环境，即，湿度引起的影响，在芯片50内设置有加热器33a、33b。更具体地，可以通过将设置在传感部和参照部的加热器加热到特定温度以上，提高对湿度的选择性来排除湿度带来的影响。
图4为示出流体随温度的热传导度的曲线图，多种流体示出热传导度随着温度增加或减少的多种特异性倾向。其中，观察水蒸气(water)，示出热传导度增加直至约150℃然后降低的曲线，可知在约350℃以上的温度下急速被气化，从而使水蒸气不给热传导度带来影响。
气体热传导式氢气传感器通过热传导度的差异来感测氢气气体，在加热到上述图4的温度以上时，可以完全排除湿气对氢气传感器的影响。
于是，如图2、图3所示，本发明在芯片50内安装能够加热到水蒸气的气化温度以上的加热器33a、33b，可以在感测过程中通过上述加热器33a、33b的工作产生焦耳热来使由湿度引起的氢气传感器热传导度的变化最小化。
可以向传感部30a及参照部30b二者都形成焦耳热的发生，在各个膜32a、32b的中心区域配置加热器33a、33b。可以向加热器33a、33b的两端施加电压来产生上述焦耳热，加热至作为水蒸气的气化温度以上的至少250℃，优选地，加热至400℃以上。结果，可以在该温度下稳定地进行感测，从而成为本发明氢气传感器的感测温度。
加热器33a、33b能够使用的材质可以为金属或半导体氧化物，优选地，可以为金属材质，更优选地，可以为金、钨、铂及钯中的一种以上。
上述加热器33a、33b具有设计的电阻，具体地，通过调节整体长度、厚度及形状来使其具有500Ω至1000Ω的电阻，优选地，形成指状组合(inter-digital)形态或缺口(gap)形态。
在需要的情况下，为了在形成上述加热器33a、33b时进一步提高粘结力，还可以在膜32a、32b上形成利用铬(Cr)或钛(Ti)等的附着层(未图示)。上述附着层可以利用溅射法或气化法等方法来形成。
追加地，为了使湿度带来的影响最小化，还可以设置湿度传感器，可以通过上述湿度传感器测定的结果进行氢气传感器的湿度修正。
电极极板34a、34b、34c与膜32a、32b及加热器33a、33b隔开规定距离形成，利用具有与上述加热器33a、33b相同或相似的特性的物质来制造。上述电极极板34a、34b、34c起到向加热器33a、33b传输电力的作用，可以与用于与电源连接的键合线41接触。
键合线41可以为导电线，使电极极板34a、34b、34c与印刷电路板60(图4)电连接。由此，在传感部30a中感测的加热器的电阻信号通过电极极板34a、34b、34c以及键合线41向印刷电路板60传导。上述键合线41可以使用金线、铝线、铜线等公知的键合线。
尤其，本发明的氢气传感器形成用于使气体流入传感部30a的一个以上的开放孔H。在此情况下，图2为便于说明而示出开放孔H为一个的情况，但可以设置两个以上的多个。
为便于作为气体内识别对象的氢气气体的流入，开放孔H在与传感部30a相对应的底座10区域形成，而使其不向参照部30b流入。于是，通过底座10的开放孔H的气体流入氢气传感器，如图2所示，基板31下部区域蚀刻为具有规定角度，通过蚀刻以隔板形态形成图案化的基板31，通过这种方式阻断气体流入参照部30b内。
为便于向传感部30a的流入及流出，开放孔H可以具有规定水平的直径，但无论设置单个还是多个开放孔H，整个开放孔H的形成区域都不超出位于传感部30a的膜32a的宽度。
更优选地，开放孔H的直径D满足下述式1。
式1
D＜(a+2T)/tanθ
在上述式中，
D为开放孔的直径，
a为传感部的膜的边长，
T为基板的厚度，
θ为90度以下。
基板31形成上部的截面积大且截面积逐渐向下减少的形状，在此情况下，底座10与基板31形成的角度θ可以通过基板31的蚀刻工序来控制。优选地，θ为90度以下，优选地，具有54.74度或85度至90度的角度，具体地，为54.74度。
并且，定义为a的膜32a的边长可以为膜32a在水平方向上短的边长。
在以满足式1的方式设计开放孔H的直径的情况下，可以提高氢气气体的感测度。
开放孔H的形状可以为其水平截面为圆形、四边形或多边形，在本发明中不受特别限制。
另一方面，可以向由芯片50与帽20形成的内部空间A注入空气、惰性气体中的一种以上，以使外部气体不向内部空间A流入。优选地，通过填充惰性气体来使其他气体的干扰最小化。
连接销43形成多个，可以通过焊接与印刷电路板(未图示)连接来将通过上述印刷电路板的电信号向外部电子装置传导。上述连接销43可以为镍、铜或它们的合金。
在需要的情况下，能够以覆盖上述电极极板34a、34b、34c的规定区域以及加热器33a、33b或膜32a、32b的形态形成绝缘膜(未图示)，但这不是必需的因素。
如上所述构成的本发明的氢气传感器使传感器一体化，从而便于传感器的大量生产。
具体地，本发明的氢气传感器内芯片的制造方法包括：
步骤S1，在基板31上蒸镀绝缘膜后，通过蚀刻来形成膜32a、32b；
步骤S2，在上述膜32a、32b上形成导电薄膜后，通过蚀刻来形成加热器33a、33b；
步骤S3，在上述基板31上蒸镀电极材质后，通过蚀刻来形成电极极板34a、34b、34c；
步骤S4，在未形成上述膜32a、32b的基板31的后表面蚀刻，以使传感部和参照部形成隔热结构。
首先，在基板31上蒸镀绝缘膜后，通过蚀刻来形成膜32a、32b(步骤S1)。
作为用于形成膜32a、32b的材质，绝缘膜包含氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的一种以上来以单层或多层层叠。层叠方法可以使用干式方法，可以利用热氧化法、溅射法或化学气相沉积法等方法来形成。
在上述膜32a、32b上形成导电薄膜后，通过蚀刻来形成加热器33a、33b(步骤S2)。
导电薄膜可以为金属或半导体氧化物，优选地，可以为金、钨、铂及钯中的一种以上。上述导电薄膜的形成可以使用溅射法、电子束法或气化法等方法。蚀刻可以进行半导体工序中使用的光刻工序。
然后，在上述基板31上蒸镀电极材质后通过蚀刻来形成电极极板34a、34b、34c(步骤S3)。
电极材质只要是具有导电性的材质就都可以使用，利用具有与上述加热器33a、33b相同或相似的特性的物质来制造。作为一例，可以为金、钨、铂及钯中的一种以上。上述电极材质的蒸镀可以使用溅射法、电子束法或气化法等方法。蚀刻可以进行半导体工序中使用的光刻工序。
然后，在未形成上述膜32a、32b的基板31的后表面进行蚀刻，以使传感部和参照部形成隔热结构(步骤S4).
蚀刻可以使用利用光刻图案的干法蚀刻工序。作为一例，可以使用双面曝光机进行硅蚀刻开口的图案化并进行利用氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)、EDP等溶液的湿法各向异性蚀刻或者进行利用的硅深反应离子蚀刻(Deep RIE)装置的干法蚀刻。
在部分去除基板31下部来以岛(island)形态制造隔热结构的情况下，可以进一步提高对流入氢气传感器内部的气体的灵敏度。
经过上述步骤制造的芯片50通过如下步骤制造氢气传感器：
步骤S5，准备在规定区域设置有一个以上的开放孔H的底座10；
步骤S6，在上述底座10上安装芯片50；以及
步骤S7，结合上述底座10与帽20来制造氢气传感器。
在上述步骤S5中，在底座10形成开放孔H的方法在本发明中不受特别限制，可以使用公知的多种打孔方法。
为便于向传感部30a的流入及流出，开放孔H可以具有规定水平的直径，但无论设置单个还是多个开放孔H，整个开放孔H的形成区域都不超出位于传感部30a的膜32a的宽度。
更优选地，开放孔H的直径D满足下述式1。
式1
D＜(a+2T)/tanθ
在上述式中，
D为开放孔的直径，
a为传感部的膜的边长，
T为基板的厚度，
θ为90度以下。
基板31形成上部的截面积大且截面积逐渐向下减少的形状，在此情况下，底座10与基板31形成的角度θ可以通过基板31的蚀刻工序来控制。优选地，θ为90度以下，优选地，具有54.74度或85度至90度的角度，具体地，为54.74度。
并且，定义为a的膜32a的边长可以为膜32a在水平方向上短的边长。
在以满足式1的方式设计开放孔H的直径的情况下，可以提高氢气气体的感测度。
开放孔H的形状可以为其水平截面为圆形、四边形或多边形，在本发明中不受特别限制。
然后，在底座10上安装芯片10，与此同时，通过焊接与键合线41连接来通过连接销43与外部电连接。
步骤S7的接合在本发明中不受特别限制，可以使用公知的方法。但是，在需要由芯片50与帽20形成的内部区域时，还可以进行注入空气或惰性气体的步骤。
图5为本发明的一实例的芯片50的主视图，图5b为其照片。
如图5a所示，本发明的氢气传感器的芯片50设置有传感部30a和参照部30b，如图5b所示，氢气传感器可以具有比硬币小的体积。
本发明的氢气传感器可以通过气体热传导方法感测氢气气体。
氢气气体的感测在通过加热器33a、33b使氢气传感器的温度上升后进行。当包含上述氢气气体的气体与传感部30a接触时，传感部30a的温度因氢气的热传导率的差异而降低。据此，形成于传感部30a区域内的加热器33a的电阻发生变化，从而不仅可以通过测定相对于形成于参照部30b区域内的加热器33b电阻的变化来感测氢气气体，还可以测量浓度。
图6是为确认本发明氢气传感器的特性而构成的电路。
观察图6，氢气传感器简单地由包括固定电阻R1、R2、R3以及可变电阻VR等4个电阻在内的桥式电路与向桥式电路施加的电源V构成。在此情况下，当使加热器33a、33b的电阻为800Ω时，可以通过电信号检测出由通过包括传感部30a和参照部30b在内的桥式电路的氢气气体引起的电阻变化。
可以通过如下原理测定氢气浓度：氢气气体向传感部30a流入，氢气的热传导率不同，由此，上述传感部30a的温度下降，加热器的电阻也随之发生变化。
结果，本发明的氢气传感器示出快速的响应速度，感测氢气后当氢气浓度降低时重新恢复原状所需的恢复时间(recovery time)约为数十秒钟。与昂贵的其他传感器相比，这样的响应速度特性具有同等或是更为优秀的数值。
并且，本发明的氢气传感器可以为感测氢气气体泄漏而应用在氢气燃料电池电动车中的氢气储存容器附近、氢气移送配管系统的接缝附近、电池堆周围以及车辆室内等。
尤其，本发明的氢气传感器具有在一个封装内设置传感部及感测部的一体化结构，与现有的两个单独封装的传感器相比，体积大幅缩小，从而非常易于安装在有限的室内空间。
并且，上述氢气传感器不仅易于制造，还可以大幅降低生产成本，因此在同类产品中具有竞争力。
同时，可以通过安装在内部的加热器排除湿度对氢气传感器的影响力，即使没有额外的用于修正湿度的传感器也可以使用，在需要的情况下，可以设置在氢气传感器的设置位置周围。
以上，通过限定的实施例及附图说明了本发明，但本发明所属技术领域的普通技术人员自明的是，可以在本发明的技术思想的范围内实施多种变形。因此，本发明的保护范围应通过发明要求保护范围的记载及与之同等的范围来确定。
附图标记的说明
10：底座 20：帽
30a：传感部 30b：参照部
32a、32b：膜 33a,33b：加热器
34a、34b、34c：电极极板 41：键合线
43：连接销 50：芯片
产业上的可利用性
本发明涉及能够应用在氢气燃料电池电动车等的具备一体化结构的气体热传导式氢气传感器。

Claims (8)

1.一种具备一体化结构的氢气传感器，其特征在于，
为了通过气体热传导方式感测氢气，设置有为了在内部收纳芯片而由底座与帽接合而成的外壳，
上述芯片包括：
基板；
两个膜，在上述基板上隔开规定间隔形成，分别形成传感部及参照部；
加热器，分别在上述膜的中心区域形成，用于加热至感测温度来产生焦耳热；
电极极板，与上述膜及加热器隔开规定距离形成；以及
一个以上的开放孔，在与上述传感部相对应的底座的规定区域形成，以使上述传感部能够与气体接触。
2.根据权利要求1所述的具备一体化结构的氢气传感器，其特征在于，上述开放孔H的直径D满足下述式1，
式1：D＜(a+2T)/tanθ，
在上述式中，D为开放孔的直径，a为传感部的膜的边长，T为基板的厚度，θ为90度以下。
3.根据权利要求1所述的具备一体化结构的氢气传感器，其特征在于，上述基板具有后表面被蚀刻的结构，以使传感部和参照部形成隔热结构。
4.根据权利要求1所述的具备一体化结构的氢气传感器，其特征在于，上述膜为包含氧化硅SiOx、氮化硅SiNx及氮氧化硅SiOxNy中的一种以上的单层或多层薄膜。
5.根据权利要求1所述的具备一体化结构的氢气传感器，其特征在于，上述加热器能够加热到400℃以上。
6.根据权利要求1所述的具备一体化结构的氢气传感器，其特征在于，在由上述芯片与帽形成的内部区域注入空气、惰性气体中的一种以上。
7.一种具备一体化结构的氢气传感器的制造方法，其特征在于，包括：
步骤(S1)，在基板上蒸镀绝缘膜后，通过蚀刻来形成膜；
步骤(S2)，在上述膜上形成导电薄膜后，通过蚀刻来形成加热器；
步骤(S3)，在上述基板上蒸镀电极材质后，通过蚀刻来形成电极极板；
步骤(S4)，在未形成上述膜的基板的后表面进行蚀刻，以使传感部和参照部形成隔热结构；
步骤(S5)，准备在规定区域设置有一个以上的开放孔H的底座；
步骤(S6)，在上述底座安装芯片；以及
步骤(S7)，接合上述底座与帽。
8.根据权利要求7所述的具备一体化结构的氢气传感器的制造方法，其特征在于，上述开放孔H的直径D满足下述式1，
式1：D＜(a+2T)/tanθ，
在上述式中，D为开放孔的直径，a为传感部的膜的边长，T为基板的厚度，θ为90度以下。
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