CN208103923U - 一种氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种氢气传感器，属于氢气传感器领域。通过MEMS加工工艺获得的氢气传感器，包括硅基底，所述硅基底上表面设有绝热层，所述硅基底下表面开有一对延伸至所述绝热层的绝热槽，所述绝热层表面设有位于绝热槽的正上方的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，所述第一贵金属催化层的表面覆盖有一层隔绝空气层，所述第二贵金属催化层开有气孔，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层与一对低温度系数参比电阻串联并组成惠斯通电桥。所述硅基底上方设置有温度温敏电阻。本实用新型提供的氢气传感器可以同时在催化燃烧和热导两种模式下工作，体积小，功耗低，响应快，使用寿命长。
Description
技术领域
本实用新型属于氢气传感器技术领域，具体涉及一种氢气传感器。
背景技术
MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。
氢气传感器广泛应用于煤矿、家用燃气报警、工业监测、安防等领域。随着氢燃料电池汽车逐渐走向人们的视野，氢气传感器也开始进入汽车电子领域，用于监测汽车的燃料——氢气的泄露情况，保障驾驶员的安全。
催化型氢气传感器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应(无焰燃烧)，其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻便发生变化。根据电阻的变化即可计算出气体的浓度。但催化燃烧氢气传感器只能检测8％浓度以下的氢气。而高浓度的氢气则不能够检测，另外，传统的催化燃烧气体传感器需要手工制作，工序长，工艺复杂，由于手工制作，使传感器的一致性大大减少。
测量高浓度氢气需使用热导式原理来测量。根据气体的导热率，而确定其成分，即通过混合气体的导热率的测量氢气传感器来决定混合气体中某气体的含量，在混合气体中氢气热导率最高，因此当混合气体中背景气体(如N2等)或其它成分基本保持恒定时，混合气体的热导率基本取决于氢气的多少，这样根据混合气体中的热导率不同，就可以测出所含氢气的多少。也就是说现有技术中没有能够同时测量任何氢气浓度的氢气传感器。
因此急需一种体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长且能够测量任何浓度的氢气的氢气传感器。
实用新型内容
本实用新型的目的针对现有针对现有氢气传感器的不足，提供一种体积小，功耗低，灵敏度高，使用寿命长且能够测量任何浓度的氢气的氢气传感器。
本实用新型提供了如下的技术方案：
一种氢气传感器，包括硅基底，所述硅基底上表面设有绝热层，所述硅基底下表面开有2个延伸至所述绝热层的绝热槽，所述绝热层表面设有成分相同的起到催化作用的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层分别位于两个所述绝热槽的正上方，所述第一贵金属催化层表面覆盖有一层隔绝空气层，所述第二贵金属催化层开有气孔，所述绝热层的边缘设有若干引线窗口，所述隔绝空气层的表面设有两个低温度系数参比电阻，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层通过所述引线窗口与两个所述低温度系数参比电阻串联，所述隔绝空气层的表面还设置有用于测定环境温度的温度敏感电阻。温敏电阻只起到测量环境温度的作用，作为温度修正。而起测量功能的是所述第一贵金属催化层。当氢气浓度增加时，所述第一贵金属催化层的温度会下降，导致电阻减小。
优选的，所述绝热层的边缘处设有若干起到引线连接作用的第三贵金属催化层，所述第三贵金属催化层构成所述引线窗口的底部。
优选的，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层以及第三贵金属催化层的下表面均设有第一抗氧化缓冲层，所述第一贵金属催化层的上表面设有第二抗氧化缓冲层。
优选的，所述绝热层的厚度为1-5μm，所述绝热层材料为二氧化硅、氮化硅、氧化锆中的一种或几种。
优选的，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层的厚度相同且均为200nm-2000nm，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层为铂、钯或铂钯合金。
优选的，所述第三贵金属催化层的成分和厚度可以和所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层相同。
优选的，所述温度敏感电阻由铂、掺杂单晶硅或者多晶硅制成。
一种氢气传感器的加工方法，包括以下步骤：
S1：采用热氧化方法在双抛单晶硅的表面生长一层氧化硅，获得硅基底；
S2：以等离子体增强化学气相沉积法在氧化硅表面沉积二氧化硅和氮化硅复合层，获得所述绝热层；
S3：以磁控溅射法或其他沉积方法，例如等离子体增强化学气相沉积法或热蒸发等在步骤S2中获得的所述绝热层表面沉积一层第一抗氧化缓冲层，然后在所述第一抗氧化缓冲层上沉积第一贵金属催化层和第二贵金属催化层以及第三贵金属催化层，最后沉积一层第二抗氧化缓冲层并图形化，进行高温处理最终获得具有抗氧化能力的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层以及第三贵金属催化层；
S4：利用S2中所述工艺，在S3中获得的敏感层表面也就是所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层以及所述第三贵金属催化层沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层以及所述第三贵金属催化层，形成隔绝空气层，对其中所述第二贵金属催化层和所述第三贵金属催化层上的所述隔绝空气层和所述第二抗氧化层进行反应离子刻蚀，分别刻蚀出气孔和引线窗口；
S5：利用步骤S2所述工艺，在步骤S4所获得的所述隔绝空气层表面沉积一层温度敏感电阻；
S6：利用步骤S2所述工艺，在步骤S4所获得的所述隔绝空气层表面沉积一层低温度系数参比电阻；
S7：采用深硅刻蚀工艺在所述硅基底下面制备出绝热槽。
优选的，所述步骤S3中所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层直接串联或者通过电路串联。其中电路是指信号电路。
优选的，所述步骤S4中所述隔绝空气层为二氧化硅或氮化硅，所述隔绝空气层的厚度为600-4000nm。
一种氢气传感器的用途，能够同时在催化燃烧和热导两种模式下工作，处于催化燃烧模式时，采用惠斯通电桥处理信号，处于热导模式时，以温度敏感电阻做参比，测定所述第一贵金属催化层的电阻值变化。
优选的，当氢气浓度在0-8％时处于催化燃烧模式，当氢气浓度在8-100％时，处于热导模式。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型提供的氢气传感器，采用了平面化的MEMS加工方法制备，相较于传统的催化燃烧气体传感器，氢气传感器的体积大大减少，功耗也随之由瓦级降低到毫瓦级别；
2、本实用新型提供的氢气传感器，敏感层磁控溅射的贵金属催化层，相比传统绕丝法制作的加热线圈，一致性大大提升；
3、本实用新型提供的氢气传感器，因功耗降低，灵敏度提高，所以其使用寿命也明显延长；
4、本实用新型提供的氢气传感器，同时具备催化燃烧和热导率两种模式检测，测量范围达到100％。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是实用新型的主视图；
图2是本实用新型的俯视图。
其中图中标记为：1、硅基底；2、绝热层；3、绝热槽；4、第一贵金属催化层；5、第二贵金属催化层；6、隔绝空气层；7、气孔；8、引线窗口；81、第三贵金属催化层； 9、低温度系数参比电阻；10、温度敏感电阻；11、第一抗氧化缓冲层；12、第二抗氧化缓冲层。
具体实施方式
如图1-2所示，一种氢气传感器，包括硅基底1，硅基底1上表面设有绝热层2，硅基底1下表面开有2个延伸至绝热层2的绝热槽3，绝热层2表面设有成分相同的且起到催化作用的第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5，第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5分别位于两个绝热槽3的正上方，第一贵金属催化层4表面覆盖有一层隔绝空气层6，第二贵金属催化层5开有气孔7，绝热层2的边缘设有若干引线窗口8，隔绝空气层6的表面设有两个低温度系数参比电阻10，第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5通过引线窗口8与两个低温度系数参比电阻10串联，隔绝空气层6的表面还设置有用于测定环境温度的温度敏感电阻10。
具体的，绝热层2的边缘处设有若干起到引线连接作用的第三贵金属催化层81，第三贵金属催化层81构成引线窗口8的底部。
具体的，第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81的下表面均设有第一抗氧化缓冲层11，第一贵金属催化层4的上表面设有第二抗氧化缓冲层12。
具体的，低温度系数参比电阻9的电阻阻值可以为第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5的100-1000倍。
具体的，绝热层2的厚度为1-5μm，绝热层2材料为二氧化硅、氮化硅、氧化锆中的一种或几种。第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5的厚度相同且均为 200nm-2000nm，第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5为铂、钯或铂钯合金。温度敏感电阻10由铂、掺杂单晶硅或者多晶硅制成。值得注意的是，第三贵金属催化层81 的成分和厚度可以和第一贵金属催化层4以及第二贵金属催化层5相同。
图1中的左右两个引线窗口8和图2中的位于低温度系数参比电阻9的左右侧的两个引线窗口8分别对应，其中的左右只是相当于图中的位置而言。
一种氢气传感器可以通过如下的工艺制成：
实施例1
S1：采用热氧化方法在双抛单晶硅的表面生长一层氧化硅，获得硅基底1；
S2：以等离子体增强化学气相沉积法在氧化硅表面沉积二氧化硅和氮化硅复合层，获得绝热层2；
S3：以磁控溅射法在步骤S2中获得的绝热层2表面沉积一层第一抗氧化缓冲层11，然后在第一抗氧化缓冲层11上沉积第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81，最后沉积一层第二抗氧化缓冲层12并图形化，进行高温处理最终获得具有抗氧化能力的第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81；第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5直接串联。
S4：利用步骤S2中工艺，在步骤S3中获得的敏感层也就是第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81，形成隔绝空气层6，对其中第二贵金属催化层5和第三贵金属催化层81上的隔绝空气层6和第二抗氧化缓冲层12进行反应离子刻蚀，分别刻蚀出气孔7和引线窗口8，其中，隔绝空气层6的厚度为600nm。
S5：利用步骤S2工艺，在S4获得的隔绝空气层6表面沉积一层温度敏感电阻10；
S6：利用步骤S2工艺，在S4获得的隔绝空气层6表面沉积一层低温度系数参比电阻10；
S7：采用深硅刻蚀工艺在硅基底1下面制备出绝热槽3。
实施例2
S1：采用热氧化方法在双抛单晶硅的表面生长一层氧化硅，获得硅基底1；
S2：以等离子体增强化学气相沉积法在氧化硅表面沉积二氧化硅和氮化硅复合层，获得绝热层2；
S3：以等离子体增强化学气相沉积法在步骤S2中获得的绝热层2表面沉积一层第一抗氧化缓冲层11，然后在第一抗氧化缓冲层11上沉积第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81，最后沉积一层第二抗氧化缓冲层12并图形化，进行高温处理最终获得具有抗氧化能力的第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81；第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5通过电路(信号电路)串联。
S4：利用步骤S2中工艺，在步骤S3中获得的敏感层也就是第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81，形成隔绝空气层6，对其中第二贵金属催化层5和第三贵金属催化层81上的隔绝空气层6和第二抗氧化缓冲层12进行反应离子刻蚀，分别刻蚀出气孔7和引线窗口8，其中隔绝空气层6的厚度为4000nm。
S5：利用步骤S2工艺，在步骤S4获得的隔绝空气层6表面沉积一层温度敏感电阻10；
S6：利用步骤S2工艺，在步骤S4获得的隔绝空气层6表面沉积一层低温度系数参比电阻10；
S7：采用深硅刻蚀工艺在硅基底1下面制备出绝热槽3。
实施例3
S1：采用热氧化方法在双抛单晶硅的表面生长一层氧化硅，获得硅基底1；
S2：以等离子体增强化学气相沉积法在氧化硅表面沉积二氧化硅和氮化硅复合层，获得绝热层2；
S3：以热蒸发沉积方法在步骤S2中获得的绝热层2表面沉积一层第一抗氧化缓冲层11，然后在第一抗氧化缓冲层11上沉积第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5 以及第三贵金属催化层81，最后沉积一层第二抗氧化缓冲层12并图形化，进行高温处理最终获得具有抗氧化能力的第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81；第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5直接串联。
S4：利用步骤S2中工艺，在步骤S3中获得的敏感层也就是第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81表面沉积氮化硅和二氧化硅，覆盖第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5以及第三贵金属催化层81，形成隔绝空气层6，对其中第二贵金属催化层5和第三贵金属催化层81上的隔绝空气层6和第二抗氧化缓冲层12进行反应离子刻蚀，分别刻蚀出气孔7和引线窗口8，其中，隔绝空气层6的厚度为2000nm。
S5：利用步骤S2工艺，在步骤S4获得的隔绝空气层6表面沉积一层温度敏感电阻10；
S6：利用步骤S2工艺，在步骤S4获得的隔绝空气层6表面沉积一层低温度系数参比电阻10；
S7：采用深硅刻蚀工艺在硅基底1下面制备出绝热槽3。
本实用新型的用途及原理如下：
本氢气传感器的用途，能够同时在催化燃烧和热导两种模式下工作，处于催化燃烧模式时，采用惠斯通电桥处理信号，处于热导模式时，以温度敏感电阻做参比，测定所述第一贵金属催化层的电阻值变化。当氢气浓度在0-8％时处于催化燃烧模式，当氢气浓度在8-100％时，处于热导模式。
具体原理如下：
当氢气浓度在0-8％时处于催化燃烧模式时，采用惠斯通电桥处理信号：
具体是：第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层5与一对低温度系数参比电阻10构成惠斯通电桥，当在电桥两端施加电压时，第一贵金属催化层4和第二贵金属催化层 5由于焦耳热温度上升，开有气孔7的第二贵金属催化层5催化氢气的燃烧，燃烧产生的热量使其温度高于第一贵金属催化层4，导致惠斯通电桥失去平衡而得到电压信号。氢气的浓度与电压值成线性关系。
当氢气浓度在8-100％时，处于热导模式，以温度敏感电阻10做参比，测定第一贵金属催化层4的电阻值变化：
具体是：当给第一贵金属催化层4施加电压时，第一贵金属催化层4的温度会上升并达到稳定值，当有氢气接触第一贵金属催化层4时，由于氢气的热导率在所有气体中最高，第一贵金属催化层4的温度急剧下降，电阻减少。根据温度敏感电阻10得到氢气的温度，根据氢气的温度和第一贵金属催化层4的电阻变化即可计算氢气的浓度。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括硅基底，所述硅基底上表面设有绝热层，所述硅基底下表面开有2个延伸至所述绝热层的绝热槽，所述绝热层表面设有成分相同且起到催化作用的第一贵金属催化层和第二贵金属催化层，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层分别位于两个所述绝热槽的正上方，所述第一贵金属催化层表面覆盖有一层隔绝空气层，所述第二贵金属催化层开有气孔，所述绝热层的边缘设有若干引线窗口，所述隔绝空气层的表面设有两个低温度系数参比电阻，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层通过所述引线窗口与两个所述低温度系数参比电阻串联，所述隔绝空气层的表面还设置有用于测定环境温度的温度敏感电阻。
2.根据权利要求1所述的一种氢气传感器，其特征在于，所述绝热层的边缘处设有若干起到引线连接作用的第三贵金属催化层，所述第三贵金属催化层构成所述引线窗口的底部。
3.根据权利要求2所述的一种氢气传感器，其特征在于，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层以及所述第三贵金属催化层的下表面均设有第一抗氧化缓冲层，所述第一贵金属催化层的上表面设有第二抗氧化缓冲层。
4.根据权利要求1所述的一种氢气传感器，其特征在于，所述绝热层的厚度为1-5μm，所述绝热层材料为二氧化硅、氮化硅、氧化锆中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种氢气传感器，其特征在于，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层的厚度相同且均为200nm-2000nm，所述第一贵金属催化层和所述第二贵金属催化层为铂、钯或铂钯合金。
6.根据权利要求1所述的一种氢气传感器，其特征在于，所述温度敏感电阻由铂、掺杂单晶硅或者多晶硅制成。
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