一种高稳定性薄膜氢气传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于氢气传感器技术领域，特别涉及一种高稳定性薄膜氢气传感器。
【背景技术】
[0002] 氢气是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石化、冶金、半导 体以及电力行业有着广泛的应用。
[0003] 与常规气体相比，氢气有着很多不利于安全的属性。氢气在空气中的爆炸范围更 宽（4%~75%vol)、着火能更低（0. 019mJ)、更容易泄漏、更高的火焰传播速度等。因此， 氢气泄漏和爆炸是引起安全事故的重要原因之一，需要对氢气使用环境中的氢气浓度进行 检测并对其泄漏进行监测。
[0004] 氢气传感器是氢气浓度测量和氢气泄漏监测的特种传感器。
[0005] 传统的现有技术解决方案，例如，H2SCAN公司在中国专利CN1947007B薄膜气体传 感器结构中，介绍了一种基于钯-镍合金的薄膜氢气传感器，包括用于感测小浓度氢气的 M0S电容传感器、用于感测大浓度氢气的电阻传感器、镍薄膜温度传感器和薄膜加热元件。 据称这种薄膜氢气传感器实现了几何结构节约，且降低了热损失。但该专利存在以下几个 缺点：
[0006] 1)传感器结构设计较为复杂，包含了M0S电容检测元件、参比元件、钯-镍薄膜电 阻元件、镍薄膜温度传感器和薄膜加热器等结构，从而使得传感器生产工艺复杂，生产周期 长，成本较高。
[0007] 2)传感器采用单个的钯-镍合金电阻传感器实现大浓度氢气的感测，由于钯-镍 合金薄膜在工作温度下具有固有的不稳定性，使得传感器表现出固定的漂移特性，缩短了 传感器的标定周期。
[0008] 3)传感器采用单个的钯-镍合金电阻传感器实现大浓度氢气的感测，由于钯-镍 合金薄膜具有较大的电阻温度系数，为了获得较高的测量精度，往往只能通过提高传感器 的控温精度来实现，这显然不是最佳的方法。
[0009] 4)传感器采用单个的钯-镍合金电阻传感器实现大浓度氢气的感测，但对于小浓 度的氢气，钯-镍薄膜电阻的灵敏度较小，影响了氢气传感器的测量精度。
【发明内容】
[0010] 本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高稳定性薄膜 氢气传感器，该薄膜氢气传感器灵敏度是现有技术的2倍，传感器固有不稳定性引起的漂 移和温度漂移可相互抵消，较为明显的改善了传感器的稳定性。特别地，对于本实用新型的 薄膜氢气传感器，可明显提高传感器的测量精度，延长传感器的标定周期。
[0011] 本实用新型还提供一种使用薄膜氢气传感器测量氢气浓度的方法。
[0012] 为解决以上技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
[0013] 一种高稳定性薄膜氢气传感器，包括基底、设置在所述基底上的用于检测氢气浓 度的氢气测量单元及用于控制所述氢气测量单元温度的温度控制单元，所述氢气测量单元 包括由多个电化学特性相同的氢敏电阻元件组成的具有4个桥臂的惠斯通电桥结构，所述 4个桥臂上的氢敏电阻元件的个数相同，且在所述4个桥臂中的其中2个桥臂的氢敏电阻元 件的表面设有用于隔离氢气的钝化复合镀层，所述2个桥臂为相对的2个桥臂。
[0014] 进一步地，每个所述桥臂上的氢敏电阻元件为1个或2个。优选地，每个所述桥臂 上的氢敏电阻元件为1个。
[0015] 优选地，多个所述氢敏电阻元件的几何尺寸相同。
[0016] 所述氢敏电阻元件与氢气接触后产生电阻变化，从而达到检测氢气的作用，而表 面设有所述钝化复合镀层的氢敏电阻元件通过所述钝化复合镀层实现了与氢气的物理隔 离，因此，不对氢气敏感，在与氢气接触后不会产生电阻变化。
[0017] 优选地，制作所述氢敏电阻元件的材料选自对氢气具有催化作用的金属材料，优 选钯-铬合金、钯-金或钯-镍合金。
[0018] 本实用新型的薄膜氢气传感器的一个优选实施例中，所述钝化复合镀层包括依次 设置在所述氢敏电阻元件表面的绝缘介质膜、钝化金属膜和陶瓷介质膜。
[0019] 制作所述绝缘介质膜的材料选自绝缘特性优良的介质材料，优选二氧化硅、氮化 硅中的一种或二者的混合物。
[0020] 制作所述钝化金属膜的材料选自不易吸附氢气分子、溶解氢气分子的金属材料， 优选金、铜、银等金属。
[0021] 制作所述陶瓷介质膜的材料选自阻氢特性优异或者说氢气分子扩散系数较小的 材料，优选碳化硅、氧化铝等，最优选碳化硅。
[0022] 进一步地，所述温度控制单元包括设置在所述基底上且围绕所述氢气测量单元设 置的加热元件及设置在所述基底上且围绕所述加热元件设置的温度传感元件。
[0023] 优选地，所述加热元件为金属电阻式加热电阻，其材料选自物理化学性质稳定的 材料，优选金或铂。所述温度传感元件为金属膜测温电阻，其材料选自具有较高电阻温度系 数且极其稳定的材料，优选铂、镍或铜，最优选为铂。
[0024] 优选地，制作所述基底的材料选自硅或陶瓷，优选为硅。
[0025] 本实用新型采取的又一技术方案是：一种使用上述薄膜氢气传感器测量氢气浓度 的方法，所述方法包括：
[0026] (1)将包括有氢气测量单元的薄膜氢气传感器置于包含有氢气的气体介质环境 中，并保持所述氢气测量单元在均匀、恒定的温度环境中，使得薄膜氢气传感器维持最优的 工作状态，减小气体介质温度变化带来的影响，
[0027] 其中，所述均匀、恒定的温度环境通过使用温度控制单元来维持，所述温度控制单 元包括设置在所述基底上且围绕所述氢气测量单元设置的加热元件及设置在所述基底上 且围绕所述加热元件设置的温度传感元件；
[0028] (2)通过测量所述氢气测量单元输出的电压信号感测氢气浓度，所述电压信号与 所述气体介质环境中的氢气浓度变化成正比关系。
[0029] 一种上述薄膜氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0030] (1)将包括有惠斯通电桥结构的氢气测量单元安装在基底上，所述惠斯通电桥结 构由多个电化学特性相同的氢敏电阻元件组成，多个所述氢敏电阻元件的分布使得所述惠 斯通电桥结构的4个桥臂的氢敏电阻元件的电化学特性相同，在所述4个桥臂中的其中2 个桥臂上的氢敏电阻元件的表面制作用于与氢气隔离的钝化复合镀层，所述2个桥臂为相 对的2个桥臂；
[0031] (2)将加热元件安装在所述基底上，以使所述加热元件围绕所述氢气测量单元；
[0032] (3)将温度传感元件安装在所述基底上，以使所述温度传感元件围绕所述加热元 件；
[0033] (4)在所述基底上制作金属连线和键合焊盘制成薄膜氢气传感器。
[0034] 其中，所述步骤（1)是通过光刻技术在所述基底表面形成了氢敏电阻元件的图形 结构，再通过热蒸发或溅射等技术沉积氢敏合金薄膜，经剥离清洗可得到多个桥臂电阻。同 样的，经光刻、蒸发或者溅射沉积技术在任意2个相对桥臂电阻表面制备钝化复合镀层，从 而形成了惠斯通电桥结构的氢气测量单元。其中，惠斯通电桥结构中两个表面设有钝化复 合镀层的氢敏电阻元件通过钝化复合镀层实现了与氢气的物理隔离，因此，不对氢气敏感。
[0035] 由于上述技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：
[0036] 本实用新型的薄膜氢气传感器结构简单，将4个具有相同电化学特性和几何尺寸 结构的薄膜氢敏电阻制作在同一基底表面，组成了基于惠斯通电桥结构的氢气测量单元。
[0037]制作在同一基底表面的惠斯通电桥结构的有益效果是将氢敏电阻元件具有的固 有不稳定性和温度变化所引起的漂移相互抵消，改善了薄膜氢气传感器的稳定性。
[0038] 本实用新型的薄膜氢气传感器采用基于惠斯通电桥结构的氢气测量单元，其灵敏 度是现有技术中单一氢敏电阻的2倍，薄膜氢气传感器灵敏度的提高可改善薄膜氢气传感 器的稳定性，提高测量精度。
[0039] 本实用新型的薄膜氢气传感器可用于氢气浓度检测以及氢气泄漏监测等，氢气浓 度可测范围为0. 005%~100% (体积分数）。
【附图说明】
[0040] 图1是本实用新型薄膜氢气传感器的平面图；
[0041] 图2是本实用新型薄膜氢气传感器的氢气测量单元的氢敏电阻元件的排布示意 图；
[0042] 图3是本实用新型薄膜氢气传感器的钝化复合镀层的截面结构示意图；
[0043] 图4是惠斯通电桥结构的工作原理图；
[0044] 图5是本实用新型薄膜氢气传感器的惠斯通电桥结构的氢气测量单元的工作原 理图；
[0045] 图6为传统技术传感器的检测原理图；
[0046] 图中：1、基底；2、氢气测量单元；21、氢敏电阻元件；22、钝化复合镀层；22a、绝缘 介质膜；22b、钝化金属膜；22c、陶瓷介质膜；3、加热元件；4、温度传感元件。
【具体实施方式】