CN210626387U

CN210626387U - 薄膜桥压式氢气氛传感器

Info

Publication number: CN210626387U
Application number: CN201921519648.4U
Authority: CN
Inventors: 庄志; 张毅; 李树勇
Original assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Current assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2029-09-12

Abstract

本实用新型公开了薄膜桥压式氢气氛传感器，包括依次设置的基底层、绝缘层、阻挡层与敏感电阻层；所述敏感电阻层设置有敏感电阻桥路；所述敏感电阻桥路包括氢敏感元件与温度补偿元件；所述阻挡层设置于温度补偿元件上下两侧层面，用于隔绝氢气和所述温度补偿元件；所述基底层用于绝缘层载体；所述绝缘层用于基底层隔离。本实用新型薄膜桥压式氢气氛传感器能够成倍增敏并自带温度补偿功能，能够适用于微间隙测量，减小了环境交叉干扰。

Description

薄膜桥压式氢气氛传感器

技术领域

本实用新型属于气体传感检测技术领域，尤其涉及薄膜桥压式氢气氛传感器。

背景技术

在新能源生产和氢燃料应用等很多领域，氢气作为一种危险气体，其安全检测具有重要意义。检测氢气的传感器种类繁多，大多数传感器存在探头体积大、易受温度等环境因素或其他气氛交叉干扰、长时间浸泡在氢气环境中其某些部件还易产生氢脆现象导致测量精度下降等缺点，因此在某些密闭狭小空间内或者环境温度变化较大的场合根本无法适用，且与成熟的测量系统无法适配。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供薄膜桥压式氢气传感器，为多层薄膜式结构，包括依次设置的基底层、绝缘层、阻挡层与敏感电阻层；所述敏感电阻层设置有敏感电阻桥路；所述敏感电阻桥路包括氢敏感元件与温度补偿元件；所述阻挡层设置于温度补偿元件制备层面的上下两侧层面，用于隔绝氢气与所述温度补偿元件；所述基底层用于作为传感器的载体；所述绝缘层用于隔离基底层和敏感层并使传感器与大地绝缘。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型薄膜桥压式氢气传感器能同时测量氢气浓度和环境温度两个参数，可成倍增敏并自带精确的温度补偿功能，能够适用于微间隙测量，有利于降低制备工艺难度，避免部件氢脆现象，提高寿命和长期稳定性，降低了其他环境因素的干扰，提高抗杂质气氛交叉干扰能力。

附图说明

图1是本实用新型的结构平面图；

图2是本实用新型的多层结构剖面示意图；

图3是桥压电路的电路原理图；

图4是本实用新型实施例的示意图。

图中：1-基底层；2-绝缘层；3-下层阻氢层；4-敏感电阻层；5-上层阻氢层；6-阻挡层；A-第一输出节点；B-第二输出节点；C-第三输出节点；D-第四输出节点；R1-氢敏感电阻；R2-温度补偿电阻丝；R3-氢敏感电阻；R4-温度补偿电阻丝。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型薄膜桥压式氢气传感器，为多层薄膜式结构，包括依次设置的基底层、绝缘层、阻挡层与敏感电阻层；所述敏感电阻层设置有敏感电阻桥路；所述敏感电阻桥路包括氢敏感元件与温度补偿元件；所述阻挡层设置于温度补偿元件上下两侧层面，用于隔绝氢气和所述温度补偿元件；所述基底层用于绝缘层载体；所述绝缘层用于基底层隔离，并使传感器与大地绝缘。

进一步的，所述敏感电阻层还设置有电极层，用于将所述敏感电阻桥路节点引接至外部监控设备。

进一步的，所述敏感电阻桥包括氢敏感电阻R1、温度补偿电阻丝R2、氢敏感电阻R3、温度补偿电阻丝R4、第一输出节点、第二输出节点、第三输出节点与第四输出节点；所述氢敏感电阻R1第一端接所述温度补偿电阻丝R4第一端、第一输出节点；所述氢敏感电阻R1第二端接所述温度补偿电阻丝R2第一端、第二输出节点；所述温度补偿电阻丝R2第二端接所述氢敏感电阻R3第二端、第三输出节点；所述温度补偿电阻丝R4第二端接所述氢敏感电阻R3第一端、第四输出节点。

进一步的，所述氢敏感电阻R1与温度补偿电阻丝R4设置于敏感电阻层中心线第一侧、所述温度补偿电阻丝R2与氢敏感电阻R3设置于敏感电阻层中心线第二侧，或所述氢敏感电阻R1与氢敏感电阻R3设置于敏感电阻层中心线第一侧、所述温度补偿电阻丝R2与温度补偿电阻丝R4设置于敏感电阻层中心线第二侧。

进一步的，所述基底层为Si基片。

进一步的，基底层厚度为100-400微米。

进一步的，绝缘层材质为SiO2。

进一步的，所述氢敏感元件与温度补偿元件为钯基贵金属材料。

进一步的，所述氢敏感电阻R1、温度补偿电阻丝R2、氢敏感电阻R3及温度补偿电阻丝R4采用同种材料，且阻值相同。

基底层主要功能是作为薄膜传感器制作的载体；绝缘层主要功能将其上各类敏感膜和电极与基底层绝缘隔离；氢敏电阻丝主要功能是感应外界氢气氛变化；温度补偿电阻丝其主要功能是感应外界温度变化并形成桥路后通过温度补偿方法消除掉环境温度变化的影响；电极层主要功能是将各类敏感电阻丝的电阻引出到线缆，与后端测试仪表输入端导通；阻挡层设置上层阻氢层与下层阻氢层，用于隔绝氢气避免其影响温度电阻丝阻值，防止温度补偿电阻丝受氢气交叉干扰，及长期浸泡在氢气环境下产生氢脆现象导致电阻值异常波动。

组桥方式有两类，如附图1所示第一类敏感电阻层电阻丝设计对称均匀，容易设计且溅射镀膜时容易控制四只电阻丝的电阻值精度，电极均在基底外沿边上，传感单元后期封装集成时易于超压焊接，使用的金丝较短利于保护。但掩膜板设计较为复杂，在温度补偿电阻丝上涂覆阻挡层时易于将氢敏层覆盖，操作难度加大；如附图4所示第二类敏感电阻层焊盘在中心位置，四只电阻丝需要精确计算才可控制四只电阻丝的成膜电阻值相近，且后期封装时超压焊接使用的金丝相对较长，使用过程中焊丝容易折断，导致电阻不通。优点是阻挡层的掩膜板设计和阻挡层制备难度降低。

传感器剖面结构采用多层薄膜式结构，基底层采用Si基片；绝缘层采用SiO2 材料；阻挡层采用隔氢材料沉积而成；敏感电阻层用于制作测氢电阻丝和温度补偿电阻丝并组成桥路，通过电极引出。

传感器组成典型的惠斯顿桥路，具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、易于温度补偿等优点，并且便于氢传感器采用通用的桥压调节功能模块，因此不但能更好地提高氢敏传感器的工作范围、灵敏度及抗干扰能力，还可直接利用成熟而高精度的后端处理电路及仪表。

如附图所示，U1是输出电压，U0是工作桥压。其四个臂，R1和R3作为敏感电阻即工作电阻，R2和R4作为温度补偿电阻。当R1＝R2＝R3＝R4时，成为等臂电桥，后端电路设计和调节难度低。

当多个臂同时工作时，其输出与电阻变化的关系为：

因此，相邻桥臂阻值变化若极性一致(即同为增或者减电阻)时，电桥输出电压为两者之差；若极性不一致(即一只为增电阻，一只为降电阻)时，输出电压为两者之和。而相对桥臂则相反，极性一致时输出电压为两者之和，极性不一致时为两者之差。上述公式可作为在不同条件下提高电桥灵敏度、解决环境干扰补偿等问题合理布置电阻桥臂的基本原理。

温度补偿电阻丝R2和温度补偿电阻丝R4，用于测量温度参数，并通过温度补偿方法消除温度对氢敏电阻阻值的影响。制备材料与氢敏电阻丝材料一致，且采用同种工艺同层同时溅射制备，而不采用通常的Pt温度敏感材料。如图1 所示电阻丝采用不同弯曲长度和弯折密度可在较小基底上设计出4组电阻丝减小传感器尺寸。氢敏电阻丝和温度补偿电阻丝在设计掩膜板时只需精确计算4 段的长度，少量调节其宽度，无需考虑其厚度，便可确保R1、R2、R3、R4电阻值接近或相同，从而降低传感器制备难度，利于后端电路调节，提高了信噪比。由于采用同种材料制备，可确保两种电阻丝的温度敏感特性一致以提高温度补偿效果，并且对除氢气以外的其他干扰气氛的响应特性也基本一致，提高抗杂质气氛交叉干扰能力，同时降低了其他环境因素的干扰。

当温度变化时，由于4只电阻丝采用相同材料并制作成相等的电阻值，因此不论是氢敏电阻丝还是温度补偿电阻丝，其温度敏感系数相同，当温度变化时其电阻变化量相同，根据输出与电阻变化的关系公式，此时由于温度引起的电压输出U1＝0，因此自动消除了温度干扰。另一方面，当氢气变化时，由于温度补偿电阻R2和R4其上方涂有阻挡层，因此对氢气不敏感，R2和R4由氢气变化引起的电阻变化量即为零，而只有R1和R3随氢气变化改变其电阻值。理论上讲，等臂电阻即ΔR₁＝ΔR₃，ΔR₂＝ΔR₄＝0时，

因此，输出压力值比单个氢敏电阻R1或者R3变化时提高2倍，因此氢气敏感度提高2倍。

电极层其主要功能是将各类敏感电阻丝的电阻引出到线缆，与后端测试仪表输入端连接。

本实用新型薄膜桥压式氢气传感器能同时测量氢气浓度和环境温度两个参数，可成倍增敏并自带精确的温度补偿功能，能够适用于微间隙测量，有利于降低制备工艺难度，避免部件氢脆现象，提高寿命和长期稳定性，降低了其他环境因素的干扰，提高抗杂质气氛交叉干扰能力。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，为多层薄膜式结构，包括依次设置的基底层、绝缘层、阻挡层与敏感电阻层；所述敏感电阻层设置有敏感电阻桥路；所述敏感电阻桥路包括氢敏感元件与温度补偿元件；所述阻挡层覆盖于温度补偿元件上下两侧层面，用于隔绝氢气与所述温度补偿元件；所述基底层用于作为传感器件的载体；所述绝缘层用于基底层与敏感层隔离，并使传感器与大地绝缘。

2.根据权利要求1所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述敏感电阻层还设置有电极层，用于将所述敏感电阻桥路节点引接至外部监控设备。

3.根据权利要求1所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述敏感电阻桥包括氢敏感电阻R1、温度补偿电阻丝R2、氢敏感电阻R3、温度补偿电阻丝R4、第一输出节点、第二输出节点、第三输出节点与第四输出节点；所述氢敏感电阻R1第一端接所述温度补偿电阻丝R4第一端、第一输出节点；所述氢敏感电阻R1第二端接所述温度补偿电阻丝R2第一端、第二输出节点；所述温度补偿电阻丝R2第二端接所述氢敏感电阻R3第二端、第三输出节点；所述温度补偿电阻丝R4第二端接所述氢敏感电阻R3第一端、第四输出节点。

4.根据权利要求3所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述氢敏感电阻R1与温度补偿电阻丝R4设置于敏感电阻层中心线第一侧、所述温度补偿电阻丝R2与氢敏感电阻R3设置于敏感电阻层中心线第二侧，或所述氢敏感电阻R1与氢敏感电阻R3设置于敏感电阻层中心线第一侧、所述温度补偿电阻丝R2与温度补偿电阻丝R4设置于敏感电阻层中心线第二侧。

5.根据权利要求1所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述基底层为Si基片。

6.根据权利要求1所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述基底层厚度为100-400微米，可用于微间隙测试。

7.根据权利要求1所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述绝缘层材质为SiO2，用于将基地和敏感层及电极隔离并使之与大地绝缘。

8.根据权利要求1所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述氢敏感元件与温度补偿元件为钯基贵金属材料。

9.根据权利要求3所述薄膜桥压式氢气氛传感器，其特征在于，所述氢敏感电阻R1、温度补偿电阻丝R2、氢敏感电阻R3及温度补偿电阻丝R4采用同种材料，且阻值相同。