CN217212397U - 一种基于mems技术的宽量程氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，包括氢气传感器芯片的主材料硅芯片，镀于所述硅芯片上的氮化硅薄膜，设置于所述氮化硅薄膜下方的通孔，设置于所述氮化硅薄膜上的电极R1、R2，以及设置于所述硅芯片上的电极R3。本实用新型的氮化硅薄膜厚度为1500nm，与现有的300‑1000nm相比，厚度增加，其机械强度变大，不容易开裂。且本实用新型在氮化硅薄膜下方开设通孔，使氮化硅薄膜处于悬空的状态，有助于降低氮化硅上电极加热时的热量损失，提高测量灵敏度，进一步提高测量的稳定性，减小测量误差。

Description

一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器

技术领域

本实用新型涉及氢气传感器技术领域，具体为一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器。

背景技术

随着我国氢能源产业的快速发展，对于氢能源应用的安全性日益重视。目前燃料电池车采用氢安全传感器检测泄漏氢的浓度，以保证氢应用的安全性。同时，氢气在化工、电子、医疗、金属冶炼,特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值，在氢气生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为585℃，遇明火即发生爆炸，所以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。

目前氢气传感器的种类和产品较多，主要有半导体型传感器、热电型传感器、光纤传感器、钯合金薄膜氢气传感器，其中热电型传感器通常是在氢气传感器芯片上沉积一层热敏材料，该材料的厚度一般在300-1000纳米，而该热敏材料上还会加工电极，当电极处于加热情况下，该热敏材料容易开裂脱落；且该热敏材料与传感器芯片直接接触，其上电极在加热时热量会传递给传感器芯片，造成极大地热量损失，降低测量的灵敏度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，可以有效提高氢气传感器测量数据的稳定性以及灵敏度。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，包括氢气传感器芯片的主材料硅芯片，镀于所述硅芯片上的氮化硅薄膜，设置于所述氮化硅薄膜下方的通孔，设置于所述氮化硅薄膜上的电极R1、电极R2，以及设置于所述硅芯片上的电极R3。

进一步地，所述硅芯片的大小为10×10mm，厚度为0.5mm。

进一步地，所述氮化硅薄膜的大小为3×3mm，厚度为1.5μm。

进一步地，所述通孔开设于所述硅芯片上，且大小为2.8×2.8mm。

进一步地，所述电极R1、电极R2、电极R3的电极材料均为纯度大于99.9％的Ni，且电极R1、电极R2、电极R3的电极宽度均为0.05mm，厚度均为1μm。

进一步地，所述电极R1、电极R2、电极R3分别通过金线连接到硅芯片对应的电极上；且所述电极R1、电极R2为并排结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的氮化硅薄膜厚度为1500nm，与现有的300-1000nm相比，厚度增加，其机械强度变大，不容易开裂。

(2)本实用新型在氮化硅薄膜下方开设通孔，使氮化硅薄膜处于悬空的状态，有助于降低氮化硅上电极加热时的热量损失，提高测量灵敏度，进一步提高测量的稳定性，减小测量误差。

(3)本实用新型通过控制Ni电极的厚度和线宽进一步优化氮化硅薄膜的机械性能，通过增加Ni电极的厚度和线宽的方式，降低加热Ni电极的电阻特性，增大了电极的发热面积，避免电极的热量集中，造成温度梯度过大，从而影响氮化硅的机械性能。

附图说明

图1为本实用新型俯视图；

图2为本实用新型侧视图；

图3为本实用新型不同浓度下实际测试结果；

图4为本实用新型不同温度下实际测试结果；

图5为本实用新型长期稳定性测试结果。

其中，附图标记对应的名称为：

1-硅芯片，2-通孔，3-氮化硅薄膜。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1～2所示，本实用新型提供一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，包括氢气传感器芯片的主材料硅芯片1，镀于所述硅芯片1上的氮化硅薄膜3，设置于所述氮化硅薄膜3下方的通孔2，设置于所述氮化硅薄膜3上的电极R1、R2，以及设置于所述硅芯片上的电极R3。

其中硅芯片1的大小为10×10mm，厚度为0.5mm；氮化硅薄膜3对电极有支撑作用，当其厚度较薄时会因为电极的加热而出现开裂脱落的情况，所以本实施例中氮化硅薄膜3的大小为3×3mm，厚度为1.5μm；另外氮化硅薄膜3下方的通孔2大小为2.8×2.8mm，可以使氮化硅薄膜3处于悬空的状态，有助于降低氮化硅薄膜3上电极加热时的热量损失，提高测量灵敏度。

加工于氮化硅薄膜3上的电极R1和R2的电极材料为纯度大于99.9％的Ni，宽度为0.05mm，厚度为1μm，且R1和R2分别通过金线连接到硅芯片1的对应电极上，再通过引线连接到封装的电极上，R1和R2为并列排列结构，改变了传统的叉指电极结构，可使R1和R2两个电极能够相对独立的工作，互不干扰。R3则加工于硅芯片1上，电极材料也为纯度大于99.9％的Ni，宽度为0.05mm，厚度为1μm，其通过金线连接到硅芯片1的对应电极上，再通过引线连接到陶瓷封装的电极上。

本实施例提供的一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器的制备工艺如下：

S1：在硅芯片表面氧化一层厚度为100nm的二氧化硅阻挡层，光刻显影后，用缓冲氧化刻蚀溶液图形化二氧化硅层；

S2：以二氧化硅层做掩膜，用KOH溶液腐蚀暴露的硅，腐蚀深度为6μm，形成芯片的金属引线区域，再用BOE溶液去除剩余的二氧化硅；

S3：采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积大小为3×3mm、厚度为1.5μm的氮化硅薄膜，然后在500℃高温下进行退火处理，最后通过离子束刻蚀形成Ni电阻R1、R2、R3，完成电阻结构及金属引线图形化。

将本实用新型进行如下性能测试：

(1)不同浓度下传感器响应和稳定性测试

在浓度分别为5％、20％、100％的氢气环境进行实际的测量，测量结果见如图3所示，在1920分钟内，三种浓度气体在传感器中的响应较稳定，分别为5％±0.1％、20％±0.1％、100％±0.1％，与传统的热传导原理氢气传感器(相同条件下误差为5％±0.5％、20％±0.5％、100％±0.5％)相比本实施例表现出优异的测量准确性和稳定性。

(2)不同温度下传感器响应和稳定性测试

传感器在13％的氢气浓度下，通过改变气体温度，考察传感器的测量准确性和稳定性，测量结果如图4所示，图中可以看出，当气体温度从40℃～12℃之间变化时，氢气浓度实际测量值为12.6％～13％，波动约0.4％，与传统热传导原理氢气传感器(在相同条件下，当气体温度从40℃～12℃之间变化时，氢气浓度波动在2-5％，甚至更大)相比，本实施例测量值受温度影响较小，测量结果稳定性较好。

(3)传感器长期稳定性测试

将传感器在40％氢气浓度气氛中，保持60个小时，实际测量结果如图5所示，在60个小时内，氢气浓度测量值与传统热传导原理氢气传感器(在相同条件下，氢气浓度波动在2％，甚至更大)相对测量结果更稳定，浓度波动在0.3％。

本实用新型的氮化硅薄膜厚度为1500nm，与现有的300-1000nm相比，厚度增加，其机械强度变大，不容易开裂；且本实用新型在氮化硅薄膜下方开设通孔，使氮化硅薄膜处于悬空的状态，有助于降低氮化硅上电极加热时的热量损失，提高测量灵敏度，进一步提高测量的稳定性，减小测量误差。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，其特征在于，包括氢气传感器芯片的主材料硅芯片(1)，镀于所述硅芯片(1)上的氮化硅薄膜(3)，设置于所述氮化硅薄膜(3)下方的通孔(2)，设置于所述氮化硅薄膜(3)上的电极R1、电极R2，以及设置于所述硅芯片(1)上的电极R3。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，其特征在于，所述硅芯片(1)的大小为10×10mm，厚度为0.5mm。

3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，其特征在于，所述氮化硅薄膜(3)的大小为3×3mm，厚度为1.5μm。

4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，其特征在于，所述通孔(2)开设于所述硅芯片(1)上，且大小为2.8×2.8mm。

5.根据权利要求4所述的一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，其特征在于，所述电极R1、电极R2、电极R3的电极材料均为纯度大于99.9％的Ni，且电极R1、电极R2、电极R3的电极宽度均为0.05mm，厚度均为1μm。

6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS技术的宽量程氢气传感器，其特征在于，所述电极R1、电极R2、电极R3分别通过金线连接到硅芯片(1)对应的电极上；且所述电极R1、电极R2为并排结构。

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