一种氢气传感器及其制备方法与流程

1.本技术涉及氢气传感器技术领域，特别涉及一种氢气传感器及其制备方法。


背景技术：

2.氢能因其燃值高、无污染性副产物、易于运输和存贮等特点，受到极大的关注，尤其是利用氢气作为动力系统的重型运输车，正在逐步取代传统柴油车。但是氢气也是易燃易爆气体，一旦发生泄漏，可能造成严重的安全事故，所以检测氢气泄漏的氢气传感器是非常重要的。
3.根据氢能源汽车上不同位置所需检测的氢气浓度、环境特性不同，对所需要安装的氢气传感器特性也会有所不同，例如储氢钢瓶和驾驶室内需要检测的是氢气泄漏，其检测浓度低于氢气爆炸下限，但是需要非常快的响应时间；而氢燃料电堆里则需要检测远高于爆炸下限的氢气浓度。
4.传统热导式氢气传感器是根据氢气的高热导系数制作的，其结构为一根悬吊着的裸电阻丝或磁珠，给其供电使它发热工作在一定温度下，通常在100-150℃左右，有氢气泄漏，会引起电阻丝温度下降。由于非贵金属电阻丝(如镍、钨合金等)长期工作后容易因氧化导致零点漂移，贵金属(如铂等)则可能会引起氢气催化反应而误报，所以有一种方法是在电阻丝表面制作涂层保护，但这样又会增加热容，显著延长响应时间，氢气泄漏时1秒的时差足以影响到人员的安全与否，所以，目前还没有真正符合氢能源车要求的氢气传感器。
5.因此，急需一种氢气传感器的技术方案，以解决传统的氢气传感器存在热容高且检测氢气泄漏时响应时间长等问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的问题，本技术实施例提供了一种氢气传感器及其制备方法，具有整体热容低，热响应快的优势，同时提升了车辆在行驶时的安全性能。
7.一方面，提供了一种氢气传感器，包括：
8.基底和沿远离所述基底的方向上依次设置第一薄膜、传感器组件和第二薄膜；
9.所述传感器组件包括加热电阻、温度电阻和至少两个热敏电阻，所述至少两个热敏电阻与所述加热电阻相邻布置，所述温度电阻远离所述加热电阻布置；
10.所述基底上设置有散热腔，所述加热电阻和所述热敏电阻设置于所述散热腔范围内。
11.进一步地，所述氢气传感器还包括焊盘结构，所述焊盘结构的一端分别与所述加热电阻、温度电阻和至少两个热敏电阻，所述焊盘结构的另一端与外界控制电路相连接，所述外界控制电路用于给所述加热电阻、温度电阻和至少两个热敏电阻提供恒流源或恒压源。
12.进一步地，所述第二薄膜覆盖所述传感器组件。
13.进一步地，所述至少两个热敏电阻包括第一热敏电阻和第二热敏电阻，所述第一
热敏电阻和所述第二热敏电阻分别设置在所述加热电阻的两侧，所述第一热敏电阻与所述加热电阻之间形成第一气体通道，所述第二热敏电阻与所述加热电阻之间形成第二气体通道。
14.进一步地，所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻对称设置在所述加热电阻的两侧。
15.进一步地，所述第一热敏电阻用于感测所述加热电阻的第一温度信息；所述第二热敏电阻用于感测所述加热电阻的第二温度信息；
16.当氢气从所述第一气体通道与所述第二气体通道经过时，所述第一温度信息与第二温度信息不同。
17.进一步地，所述第一薄膜由硅晶圆通过薄膜沉积在所述基底上制作而成。
18.进一步地，所述第二薄膜的材质包括氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种或几种。
19.进一步地，所述第一薄膜的厚度为0.5～5um，所述第二薄膜的厚度为0.1～5um。
20.另一方面，提供了一种制备上述氢气传感器的方法，包括如下步骤：
21.提供一基底，对所述基底进行清洗；
22.对所述基底进行薄膜沉积，在所述基底上形成预设深度的第一薄膜；
23.对所述第一薄膜远离所述基底的一侧进行金属薄膜沉积，形成预设深度的金属薄膜；并对所述金属薄膜进行刻蚀处理，在预设位置上形成加热电阻、至少两个热敏电阻、温度电阻和焊盘结构；
24.对所述加热电阻、至少两个热敏电阻和温度电阻远离所述第一薄膜的一侧进行薄膜沉积，形成预设深度的第二薄膜；
25.对所述基底进行刻蚀处理，形成散热腔，所述散热腔与所述加热电阻、至少两个热敏电阻对应设置，得到氢气传感器。
26.实施本技术，具有如下有益效果：
27.1、本技术制备的氢气传感器具有整体热容低，热响应快的优势，同时提升了车辆在行驶时的安全性能。
28.2、本技术制备的氢气传感器通过沿远离所述基底的方向上依次设置的微纳米量级的第一薄膜以及第二薄膜，并在第一薄膜与第二薄膜之间设置传感器组件的结构设计，使氢气传感器的热响应速度只有数十毫秒，氢气检测速度小于0.5秒，相比传统氢气传感器，响应时间大幅度减少，实现了车规级氢气传感器秒级内报警的需求。
29.3、在本技术制备的氢气传感器结构中，热敏电阻对称设置在加热电阻的两侧，根据热敏电阻两端的温度差值以及氢气热导系数确定实际氢气浓度值，可有效防止因不同氢气流速产生的浓度值输出误差，避免误报，以便于在氢能源汽车使用环境下，可以快速获取氢气浓度值，满足车规级传感器报警需求。
30.4、本技术制备的氢气传感器采用硅晶圆制造技术实现，极大地提高成品一致性，同时降低了制备成本。
31.5、本技术的氢气传感器的制备方法，操作简单，成本低，便于大量生产。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本技术实施例提供的一种氢气传感器的结构示意图；
34.图2为本技术实施例提供的氢气传感器在检测氢气时的输出响应时间与氢气浓度值之间的检测结果示意图；
35.图3为本技术实施例提供的氢气传感器的俯视图；
36.图4为本技术实施例提供的在氢气流速较高时氢气传感器表面的温场分布的示意图；
37.图5为本技术实施例提供的一种氢气传感器的制备方法的流程示意图；
38.图6为本技术实施例提供的氢气传感器制备流程的示意图；
39.其中，附图标记对应为：1-基底；2-第一薄膜；3-加热电阻；401-第一热敏电阻；402-第二热敏电阻；5-温度电阻；6-焊盘结构；7-第二薄膜；8-散热腔。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.需要说明的是，在本技术创造的描述中，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。
42.本技术实施例提供了一种氢气传感器，请参阅图1，其所示为本技术实施例提供的一种氢气传感器的结构示意图，包括：基底(1)和沿远离基底的方向上依次设置第一薄膜(2)、传感器组件和第二薄膜(7)；传感器组件包括加热电阻(3)、温度电阻(5)和至少两个热敏电阻，至少两个热敏电阻与加热电阻(3)相邻布置，温度电阻(5)远离加热电阻(3)布置；基底(1)上设置有散热腔(8)，加热电阻(3)和热敏电阻设置于散热腔(8)范围内。
43.在本技术实施例中，基底(1)可以为硅基底，也可以为其他基底(1)材料，在此不做界定，沿远离基底(1)的方向上依次设置的第一薄膜(2)、和第二薄膜(7)均为微纳米量级，微纳米量级的第一薄膜(2)、和第二薄膜(7)结构可以使得氢气传感器在极小的体积以及功耗下，实现更高的灵敏度和响应时间。
44.其中，加热电阻(3)用于给氢气传感器提供一个热源，以便于根据加热电阻(3)的温度变化值，确定该温度变化值对应的氢气浓度值，热敏电阻(4)则用于检测加热电阻(3)的温度变化值，温度电阻(5)用于检测环境温度，具体的，该氢气传感器检测氢气的工作原理为热导式，具有热导式原理的氢气传感器在进行氢气浓度检测时，需要加热电阻(3)提供
一个热源，该加热电阻(3)在没有氢气时温度保持不变，当有存在氢气时，因为氢气的热导率极高，则会致使加热电阻(3)的温度迅速降低，此时，热敏电阻(4)检测到加热电阻(3)的温度变化值，进而根据温度变化值确定对应的氢气浓度值，以便于在氢能源汽车使用环境下，可以快速获取氢气浓度值，满足车规级传感器报警需求。
45.加热电阻(3)和热敏电阻设置于散热腔(8)范围内，即散热腔(8)设置在加热电阻(3)和至少两个热敏电阻的下侧，散热腔(8)主要用于隔绝加热电阻(3)与至少两个热敏电阻的温度传递至基底(1)，有利于整个氢气传感器的热容不会随着加热电阻(3)和至少热敏电阻温度的升高而升高，这在一定程度上降低了氢气传感器的热容，有效的进行散热，以便于氢气传感器及时对氢气作出响应。
46.需要说明的是，至少两个热敏电阻(4)的数量和温度电阻(5)的数量不做具体的界定，在本技术实施例中以两个热敏电阻(4)和两个温度电阻(5)为例进行说明。
47.在一个具体的实施例中，如图2所示，其为本技术实施例提供的氢气传感器在检测氢气时的输出响应时间与氢气浓度值之间的检测结果示意图，从图中可以看出，当氢气的含量在达到一定值时，该氢气传感器的响应时间约为0.3秒，即可快速获取氢气浓度值，满足车规级传感器报警需求。
48.在一个可选的实施方式中，第一薄膜(2)的厚度为0.5～5um，第二薄膜(7)的厚度为0.1～5um，需要说明的是，第一薄膜(2)的厚度、第二薄膜(7)的厚度与材料所制备的器件结构强度相关，本领域技术人员可以通过设计来实现耐一定冲击下各薄膜最优的厚度。
49.进一步地，第一薄膜(2)的厚度可以为0.5～3um、0.5～4um、1.0～3um、1.0～4um、1.0～5um、2.0～3um、2.0～4um、2.0～5um、3.0～4um、3.0～5um和4.0～5um等，在本技术实施例中第一薄膜(2)最优的厚度为3.0～4um，第二薄膜(7)的厚度可以为0.1～3um、0.1～4um、0.1～5um、0.5～3um、0.5～4um、1.0～2um、1.0～3um、1.0～4um、1.0～5um、2.0～3um、2.0～4um、2.0～5um、3.0～4um、3.0～5um和4.0～5um等，在本技术实施例中第二薄膜(7)最优的厚度为1.0～2um。
50.在本技术实施例中，氢气传感器中的第一薄膜(2)具有两重作用，其第一重作用为用于隔离基底(1)与传感器组件，以防止基底(1)和传感器组件进行温度传递，实现了有效隔热，使得传感器组件的温度不会传递至基底(1)，以便于基底(1)始终保持常温的状态，这在一定程度上降低了氢气传感器的热容，从而使得在检测到氢气时的热响应速度大幅度提高；第二重作用为保护电阻器件，其加热电阻(3)、热敏电阻和温度电阻(5)等传感器组件主要为金属电阻丝，结构较脆弱，若对传感器组件不进行保护，则极易造成传感器组件的损坏，若传感器组件损坏则会使得氢气传感器不能够根据传感器组件中热敏电阻感测的温度变化值判断氢气的浓度值，一旦发生氢气泄露，则可能造成严重的安全事故。
51.在一个可选的实施方式中，第二薄膜(7)的材质包括氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种或几种。
52.在一个可选的实施方式中，第二薄膜(7)覆盖传感器组件。
53.在本技术实施例中，第二薄膜(7)由氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种或由氧化硅、氮化硅、氧化铝的任意组合的方式来制作而成，其第二薄膜(7)覆盖传感器组件一方面是为了避免传感器组件暴露在空气中，使传感器组件与空气发生反应，起到了保护传感器组件的作用，还为了让焊盘结构(6)裸露在外，以便于焊盘结构(6)可以与外界控制电路
连接。
54.在一个可选的实施方式中，氢气传感器还包括焊盘结构(6)，焊盘结构(6)的一端分别与加热电阻(3)、温度电阻(5)和至少两个热敏电阻，焊盘结构(6)的另一端与外界控制电路相连接，外界控制电路用于给加热电阻(3)、温度电阻(5)和至少两个热敏电阻提供恒流源或恒压源。
55.在本技术实施例中，如图3所示，其为本技术实施例提供的氢气传感器的俯视图，焊盘结构(6)如图3所示，该焊盘结构(6)不仅可以固定加热电阻(3)、温度电阻(5)和热敏电阻(4)，还与外界控制电路相连接，外界控制电路用于给加热电阻(3)、温度电阻(5)和热敏电阻(4)提供恒流源或恒压源，以便于确定加热电阻(3)、温度电阻(5)和热敏电阻(4)的温度变化情况，进而确定氢气的浓度值。
56.在一个可选的实施方式中，第一薄膜(2)由硅晶圆通过薄膜沉积在基底(1)上制作而成。需要说明的是，薄膜沉积可以包括电子束蒸发、磁控溅射和原子层沉积等薄膜沉积方式，还可以包括其他的薄膜沉积方式，在此不进行一一列举。
57.在一个可选的实施方式中，至少两个热敏电阻包括第一热敏电阻(401)和第二热敏电阻(402)，第一热敏电阻(401)和第二热敏电阻(402)分别设置在加热电阻(3)的两侧，第一热敏电阻(401)与加热电阻(3)之间形成第一气体通道，第二热敏电阻(402)与加热电阻(3)之间形成第二气体通道。
58.在一个可选的实施方式中，第一热敏电阻(401)和第二热敏电阻(402)对称设置在加热电阻(3)的两侧。
59.在一个可选的实施方式中，第一热敏电阻(401)用于感测加热电阻(3)的第一温度信息；第二热敏电阻(401)用于感测加热电阻(3)的第二温度信息；当氢气从第一气体通道与第二气体通道经过时，第一温度信息与第二温度信息不同。
60.具体的，当氢气的浓度在预设阈值范围内且流速较高时，会导致两个热敏电阻的下降，如图4所示，其为本技术实施例提供的在氢气流速较高时氢气传感器表面的温场分布的示意图，具体的，第一热敏电阻(401)和第二热敏电阻(402)对称设置在加热电阻(3)的两侧，当存在氢气泄露时，氢气的浓度值在预设阈值范围内且流速较低时，不会影响氢气传感器表面的温场分布，但当氢气的流速较高时，流速会将氢气传感器表面温场带向氢气流动的方向，此时加热电阻(3)两侧的第一热敏电阻(401)感测加热电阻(3)的第一温度信息和第二热敏电阻(401)感测加热电阻(3)的第二温度信息会存在明显区别，此时可根据第一热敏电阻(401)感测加热电阻(3)的第一温度信息和第二热敏电阻(401)感测加热电阻(3)的第二温度信息计算出氢气的流速，其次根据氢气的流速和氢气导热系数来确定实际的氢气浓度值，以消除因氢气的流速所带来的检测氢气浓度的误差值。
61.其中，氢气流速与第一热敏电阻(401)感测加热电阻(3)的第一温度信息、第二热敏电阻(401)感测加热电阻(3)的第二温度信息间的温度差的平方成正比关系，可表示为：
[0062][0063]
其中，v是氢气流速，δt是两个热敏电阻(4)间的温度差，th是加热电阻(3)温度，进而确定氢气的浓度值，这在一定程度上提高了氢气传感器的测量精度，避免了误报的可能性。
[0064]
由本技术实施例的上述技方案可见，具有如下有益效果：
[0065]
本技术制备的氢气传感器具有整体热容低，热响应快的优势，同时提升了车辆在行驶时的安全性能；通过沿远离基底的方向上依次设置的微纳米量级的第一薄膜以及第二薄膜，并在第一薄膜与第二薄膜之间设置传感器组件的结构设计，使氢气传感器的热响应速度只有数十毫秒，氢气检测速度小于0.5秒，相比传统氢气传感器，响应时间大幅度减少，实现了车规级氢气传感器秒级内报警的需求；在本技术制备的氢气传感器结构中，热敏电阻对称设置在加热电阻的两侧，根据热敏电阻两端的温度差值以及氢气热导系数确定实际氢气浓度值，可有效防止因不同氢气流速产生的浓度值输出误差，避免误报，以便于在氢能源汽车使用环境下，可以快速获取氢气浓度值，满足车规级传感器报警需求。
[0066]
本技术实施例中还提供了一种制备上述氢气传感器的方法，请参照图5，其为本技术实施例提供的一种氢气传感器的制备方法的流程示意图，包括以下步骤：
[0067]
s1：提供一基底(1)，对基底(1)进行清洗；
[0068]
需要说明的是，在本技术实施中，基底(1)可以为硅基底，也可以为其他基底(1)材料，在此不做界定。
[0069]
s2：对基底(1)进行薄膜沉积，在基底(1)上形成预设深度的第一薄膜(2)；
[0070]
需要说明的是，薄膜沉积可以包括电子束蒸发、磁控溅射和原子层沉积其中之一，可根据具体的实际情况来确定使用薄膜沉积的方法，在此不做具体的限定。
[0071]
在本技术实施例中，第一薄膜(2)的厚度为0.5-5um，第一薄膜(2)既可以作为加热电阻(3)、两个热敏电阻和温度电阻(5)的支撑层，还可以作为传感器组件与基底(1)的绝热层。
[0072]
s3：对第一薄膜(2)远离所述基底(1)的一侧进行金属薄膜沉积，形成预设深度的金属薄膜；并对金属薄膜进行刻蚀处理，在预设位置上形成加热电阻(3)、至少两个热敏电阻、温度电阻(5)和焊盘结构(6)；
[0073]
在本技术实施例中，金属薄膜的厚度为0.1～1um，金属薄膜可为镍、钨、铂等单质金属，亦或是上述金属的合金，在此不做具体界定，金属薄膜沉积则为对金属进行薄膜沉积，薄膜沉积的方法可以为电子束蒸发、磁控溅射和原子层沉积其中之一。
[0074]
s4：对加热电阻(3)、至少两个热敏电阻和温度电阻(5)远离第一薄膜(2)的一侧进行薄膜沉积，形成预设深度的第二薄膜(7)；
[0075]
在本技术实施例中，第二薄膜(7)的厚度为0.1～5um，第二薄膜(7)的材质包括氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种或几种，在此不做界定，第二薄膜(7)的薄膜沉积至少包括电子束蒸发、磁控溅射和原子层沉积其中之一，第二薄膜(7)用于隔绝在预设位置上形成的加热电阻(3)、至少两个热敏电阻、温度电阻(5)与空气接触，避免加热电阻(3)、至少两个热敏电阻、温度电阻(5)暴露在空气中，使加热电阻(3)、至少两个热敏电阻、温度电阻(5)与空气发生反应，起到了保护加热电阻(3)、至少两个热敏电阻、温度电阻(5)的作用。
[0076]
s5：对基底(1)进行刻蚀处理，形成散热腔(8)，散热腔(8)与加热电阻(3)、至少两个热敏电阻对应设置，得到氢气传感器。
[0077]
在本技术实施例中，如图6所示，其为本技术实施例提供的氢气传感器制备流程的示意图，通过图6的制备流程制作氢气传感器，该制备流程简单，成本低，便于大量生产。
[0078]
在一个可选的实施方式中，步骤s6之后还包括：对氢气传感器进行电气封装处理，
形成氢气传感器的成品。
[0079]
由本技术实施例的上述技方案可见，具有如下有益效果：
[0080]
1、本技术制备的氢气传感器具有整体热容低，热响应快的优势，同时提升了车辆在行驶时的安全性能。
[0081]
2、本技术制备的氢气传感器通过沿远离基底的方向上依次设置的微纳米量级的第一薄膜以及第二薄膜，并在第一薄膜与第二薄膜之间设置传感器组件的结构设计，使氢气传感器的热响应速度只有数十毫秒，氢气检测速度小于0.5秒，相比传统氢气传感器，响应时间大幅度减少，实现了车规级氢气传感器秒级内报警的需求。
[0082]
3、在本技术制备的氢气传感器结构中，热敏电阻对称设置在加热电阻的两侧，根据热敏电阻两端的温度差值以及氢气热导系数确定实际氢气浓度值，可有效防止因不同氢气流速产生的浓度值输出误差，避免误报，以便于在氢能源汽车使用环境下，可以快速获取氢气浓度值，满足车规级传感器报警需求。
[0083]
4、本技术制备的氢气传感器采用硅晶圆制造技术实现，极大地提高成品一致性，同时降低了制备成本。
[0084]
5、本技术的氢气传感器的制备方法，操作简单，成本低，便于大量生产。
[0085]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。