一种用于泄漏检测的氢气传感器的制作方法

1.本实用新型涉及一种氢气传感器，尤其涉及一种用于泄漏检测的氢气传感器。


背景技术：

2.在自动化生产的过程中，工业检漏已成为保证器件和系统密封性必不可少的实用技术，可广泛应用于航空航天、电子工业、电力工业级制冷工业等领域。
3.传统的工业检漏方法包括压差法、水检法、超声波法以及示踪气体法。压差法检测速率较低，需要放置一定时间，与水检法的检测灵敏度相当，仅可检到 10-1
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m3/s。超声波法可检到10-2
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m3/s左右的最小漏率。示踪气体法是目前工业检漏方法中灵敏度最高的方法，可检到低于10-5
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m3/s的漏率。示踪气体法所用示踪气体包括放射性气体、卤素气体、氦气以及氢气，其中氦气检漏法是灵敏度最高的一种检漏方法，但是氦气检漏成本较高，且氦质谱检漏仪需要配合真空系统来实现，导致高精密检漏技术在工业检漏中的应用受限。
4.氢气检漏法是一种新兴的气体检漏技术，其气体检测成本更为合理，但目前氢气检测无法达到与氦气相同的灵敏度，导致氢气检漏法在微漏以及精密器件应用中无法开展。因此为了使用低成本的氢气检漏方法，以取代成本较高的氦气检漏法，需要开发一种高灵敏度达到ppb级的氢气传感器。


技术实现要素：

5.本实用新型为了解决上述技术问题，提供一种用于泄漏检测的氢气传感器，本实用新型氢气传感器的灵敏度达到ppb级，可检到低于10-8
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m3/s的漏率，与氦质谱检漏仪的检测灵敏度一致，适用于工业检漏，可应用于微漏及精密器件检测。
6.本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型一种用于泄漏检测的氢气传感器，包括一个气室，气室的顶部设有一个进气口和两个测量探针，气室的底部设有一个出气口和两个加热探针，气室内设有一个挡在进气口和出气口之间的敏感元件，敏感元件包括基板及设在基板正面的测量电极、设在基板背面的加热电极，测量电极的两端分别和两个测量探针相连，加热电极的两端分别和两个加热探针相连，加热电极上覆盖有屏蔽层，测量探针、加热探针还分别和位于气室外的信号电路电连接；所述的测量电极包括多个等间距平行设置的直线段，相邻直线段的头部之间及尾部之间交错连接有圆弧线段，即测量电极呈蛇形弯曲布置；所述的加热电极的形状和测量电极的形状相同。工作时，待测气体从进气口流入气室，与基板正面的测量电极充分接触后，流过基板，再从出气口流出气室。信号电路向加热电极输出固定电压，使敏感元件达到需要的工作温度，同时信号电路通过测量探针采集测量电极的信号，测量电极与气体中的氢气接触后，其电气性能会发生改变，测量电极输出的信号代表了气体中氢气的浓度，经信号电路处理后输送给氢气分析仪器的主控模块，从而完成设备或元器件的检漏。本实用新型在有限的面积上尽可能延长测量电极及加热电极的长度，有效增加测量电极和气体的接触面积，提高测
量电极的氢敏性能，提高加热电极的加热效率，确保敏感元件快速到达工作温度，并且温度分布均匀。
7.作为优选，所述的基板为氧化硅基片，所述的测量电极是由多壁碳纳米管负载钯-金核壳粒子粉末镀膜而成的氢敏薄膜。多壁碳纳米管负载钯-金核壳粒子粉末是一种纳米粉末。当待测气体中有氢气时，待测气体进入气室与测量电极充分接触，测量电极吸附氢后，形成钯-氢化合键，导致测量电极电子迁移率发生变化，测量电极的电阻变化反映了测量电极吸附氢的多少，因此通过检测测量电极的电阻就能检测出待测气体中氢气的浓度。本实用新型将多壁碳纳米管负载钯-金核壳粒子粉末通过真空镀膜到基板正面，形成高灵敏的氢敏薄膜，复合薄膜中的金核钯壳粒子具有与钯最接近的晶体结构，因此溶氢比例较高，有效提高测量电极的氢敏性能，以多壁碳纳米管形成骨架结构，分散负载金核钯壳粒子，降低了吸氢后粒子膨胀引起的薄膜微结构断裂现象的发生，同时增加了电子迁移率，提高了氢敏响应性能，使敏感元件的氢气检测灵敏度小于 5ppb。
8.作为优选，所述的加热电极是通过真空溅射形成的铂薄膜；所述的屏蔽层是通过脉冲激光沉积形成的氮化硅薄膜。屏蔽层的设置，对加热电极起到保护作用，防止氢气引起加热电极氢脆而造成加热电极的电阻发生变化。
9.作为优选，所述的气室的侧壁上设有两个对称设置的凸台，所述的基板的边缘有两个对称设置的凹槽，两个凹槽分别固定在两个凸台上，基板的边缘和气室的侧壁之间有间隙。既确保基板安装稳固，又确保基板和气室间有间隙，允许气体流过。
10.作为优选，所述的信号电路包括恒压输出单元及依次相连的阻抗变换单元、滤波单元、三级放大单元、模数转换单元和串行接口，阻抗变换单元的输入端和所述的测量探针相连，恒压输出单元的输出端和所述的加热探针相连。信号电路通过恒压输出单元向加热电极输出固定电压，使敏感元件达到300℃的工作温度，同时通过测量探针采集测量电极的信号，测量电极输出的信号，依次经过阻抗变换单元、滤波单元、三级放大单元和模数转换单元后，解调出一组串行二进制码输出至串行接口，串行接口和氢气分析仪器的主控模块进行通讯，向主控模块输出测得的氢气浓度信号。
11.本实用新型的有益效果是：将多壁碳纳米管负载钯-金核壳粒子粉末通过真空镀膜形成高灵敏氢敏薄膜作为测量电极，氢敏薄膜中的金核钯壳粒子具有与钯最接近的晶体结构，因此溶氢比例较高，有效提高测量电极的氢敏性能，以多壁碳纳米管形成骨架结构，分散负载金核钯壳粒子，减少了吸氢后粒子膨胀引起的薄膜微结构断裂现象发生，同时增加了电子迁移率，提高了氢敏响应性能，使氢敏薄膜的检测灵敏度小于5ppb。本实用新型通过在基板的正面、反面分别制备测量电极和加热电极，并用氮化硅薄膜作为覆盖在加热电极上的屏蔽层，制备成一体化的氢气敏感元件，采用集成化的信号电路，缩小了氢气传感器的体积，达到微型化，适用于工业检漏，特别适用于微漏及精密器件的泄漏检测。
附图说明
12.图1是本实用新型的一种主视结构示意图。
13.图2是本实用新型中敏感元件的一种主视结构示意图。
14.图3是本实用新型中敏感元件的一种俯视结构示意图。
15.图中1.壳体，2.气室，3.进气管，4.进气口，5.出气管，6.出气口，7.测量探针，8.加
热探针，9.信号电路，10.敏感元件，11.基板，12.测量电极，13. 加热电极，14.凹槽，15.凸台，16.屏蔽层，17.引线区域。
具体实施方式
16.下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
17.实施例：本实施例的一种用于泄漏检测的氢气传感器，如图1所示，包括一个呈圆柱体的壳体1，壳体围成一个气室2，气室的直径小于20mm，气室的高度小于10mm。壳体采用不锈钢材质制成，吸附率低，耐温高。壳体顶部的中心安装有一个和气室连通的进气管3形成进气口4，壳体顶部还安装有两个测量探针7，两个测量探针位于进气管的两侧。壳体底部的中心安装有一个和气室连通的出气管5形成出气口6，壳体底部还安装有两个加热探针8，两个加热探针位于出气管的两侧。测量探针、加热探针分别和位于壳体外的信号电路9通过导线相连，信号电路包括恒压输出单元、阻抗变换单元、滤波单元、三级放大单元、模数转换单元和串行接口，测量探针和阻抗变换单元的输入端相连，阻抗变换单元和滤波单元、三级放大单元、模数转换单元及串行接口依次相连，恒压输出单元的输出端和加热探针相连。
18.气室中部有一个敏感元件10，敏感元件和壳体顶部及壳体底部平行，敏感元件象一块挡板挡在进气口和出气口之间，但敏感元件的边缘和壳体的内侧壁之间有能让气体流过的间隙。如图2所示，敏感元件包括基板11、测量电极12 和加热电极13。基板采用圆形的氧化硅基片，氧化硅基片的直径比气室直径小 2mm，基板的边缘有两个对称设置的凹槽14，气室的侧壁上有两个对称设置的凸台15，两个凹槽分别固定在两个凸台上，基板的边缘和气室的侧壁之间有间隙。如图3所示，基板11正面有测量电极12，测量电极和进气口相对，测量电极是采用真空镀膜方法由多壁碳纳米管负载钯-金核壳粒子粉末镀膜而成的氢敏薄膜，再采用纳米光刻技术光刻成蛇形弯曲布置的形状，即：测量电极包括多个等间距平行设置的直线段，相邻直线段的头部之间及尾部之间交错连接有180
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的圆弧线段，测量电极的两端有一个0.5mm
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0.5mm的引线区域17，分别连接有和测量探针相连的引线。本实施例中，测量电极的厚度为30nm，宽度为0.2mm，长度为65mm。基板11背面有加热电极13，加热电极和出气口相对，加热电极是一种将铂粉末通过真空溅射形成的铂薄膜，再采用纳米光刻技术光刻成蛇形弯曲布置的形状，即：加热电极包括多个等间距平行设置的直线段，相邻直线段的头部之间及尾部之间交错连接有180
°
的圆弧线段。加热电极的形状和测量电极的形状相同，加热电极的位置和测量电极的位置相对应，加热电极的两端有一个0.5mm
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0.5mm的引线区域，分别和加热探针相连。本实施例中，加热电极的厚度为100nm，宽度为0.2mm，长度为65mm。加热电极上覆盖有屏蔽层16，屏蔽层是以高纯α-si3n4单晶氮化硅为靶材、通过脉冲激光沉积形成的致密的氮化硅薄膜，氮化硅薄膜的厚度为20nm。
19.工作时，待测气体从进气口流入气室，与基板正面充分接触后，从基板和气室侧壁间的间隙中流过，最后从出气口流出气室。信号电路通过恒压输出单元向加热电极输出固定电压，使敏感元件达到300℃的工作温度。待测气体流入气室，测量电极吸附待测气体中的氢气后，形成钯-氢化合键，导致测量电极的电子迁移率发生变化，其电阻的改变反映了待测气体中氢气的浓度，信号电路通过测量探针采集测量电极的电阻，依次经过阻抗变换单元、滤波单元、三级放大单元和模数转换单元后，解调出一组串行二进制码输出至串行接口，串行接口和氢气分析仪器的主控模块进行通讯，向主控模块输出测得的氢气浓度信号。