一种氢气传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种氢气传感器，包括：第一石英晶体谐振器，其包括第一石英晶体和第一底部电极；第一石英晶体的表面涂覆有氢气敏感材料；第一底部电极用于输出第一传感信号；第二石英晶体谐振器，包括第二石英晶体和第二底部电极；第二底部电极用于输出第二传感信号；第二石英晶体谐振器被置于密封盒体中，密封盒体内充氩气；差分放大器的两个输入端分别连接第一底部电极和第二底部电极，用于对第一传感信号和第二传感信号的差异进行放大，得到表征氢气浓度的第三传感信号。本发明专利技术提供的氢气传感器具有较大的线性范围和灵敏度，具有诸多有益效果，解决了现有各种氢气传感器所存在的问题，适于推广使用。适于推广使用。适于推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种氢气传感器


[0001]本专利技术属于传感器领域，具体涉及一种氢气传感器。

技术介绍

[0002]氢气传感器按照其传感原理可以分为接触燃烧型、半导体型、热电型和电化学型。其中，接触燃烧型氢气传感器利用的是氢气自身的可燃性或者在有催化材料作用的条件下发生氧化燃烧放热，促使电热丝的温度发生变化，从而使其电阻值发生变化来求得氢气的浓度。半导体氢气传感器是当传感器感受到氢气存在时，产生半导体特性来测定氢气的浓度的传感器。热电型氢气传感器的工作原理是：当热电型氢气传感器暴露在含氢空气中时，在催化金属的催化作用下，氢气与氧气反应生成水蒸气，并放出热量使覆盖有催化金属的膜面升温，与无催化金属覆盖的另一半膜面形成温差，热电材料将温差转换为电信号进行检测。电化学型氢气传感器的工作原理是电化学法，在电化学池中氢气会同氧气发生化学反应，之后氢离子移向正极，氧离子移到负极，产生电流，这一反应过程可以被电化学法转变成电信号的变化，进而实现对氢气浓度的监测。
[0003]然而，接触燃烧型氢气传感器对工作环境的要求较高，需要较频繁的标定，传感器中元件的寿命相对较短，功耗较高，且易被其他可燃性气体干扰。半导体传感器由于线性范围窄，输出处理难度大，同样有功耗高，且选择性较差的问题。热电型氢气传感器需要依靠加热提供能量，灵敏度也较低，使用寿命还会因为部分热电材料的存在而受到不利的影响。电化学型氢气传感器则工作寿命短、受温度范围影响较大，电解液易发生泄露干涸进而影响传感器的性能等。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中所存在的上述问题，本专利技术提供了一种氢气传感器，包括：第一石英晶体谐振器、第二石英晶体谐振器、密封盒体以及差分放大器；所述第一石英晶体谐振器，包括第一石英晶体和第一底部电极；所述第一石英晶体叠加于所述第一底部电极之上；所述第一石英晶体的表面涂覆有氢气敏感材料；所述第一底部电极用于输出第一传感信号；所述第二石英晶体谐振器，包括第二石英晶体和第二底部电极；所述第二石英晶体叠加于所述第二底部电极之上；所述第二底部电极用于输出第二传感信号；所述第二石英晶体谐振器被置于所述密封盒体中，所述密封盒体内充氩气；所述第一石英晶体和所述第二石英晶体的结构尺寸相同，所述第一底部电极和所述第二底部电极的结构尺寸相同；所述差分放大器的两个输入端分别连接所述第一底部电极和所述第二底部电极，用于对所述第一传感信号和所述第二传感信号的差异进行放大，得到表征氢气浓度的第三传感信号。
[0005]优选地，所述第一底部电极和所述第二底部电极均为由铬和铂自上而下堆叠形成
的金属堆栈结构。
[0006]优选地，所述第一石英晶体谐振器，还包括：分别叠加在所述第一石英晶体上的第一金属复合层和第二金属复合层；所述第一金属复合层上涂覆有所述氢气敏感材料；所述第二石英晶体谐振器，还包括：分别叠加在所述第二石英晶体上的第三金属复合层和第四金属复合层；所述第一金属复合层和所述第三金属复合层均为由铬、金和铂自下而上堆叠形成的金属堆栈结构；所述第二金属复合层和所述第四金属复合层均为由铬和金自下而上堆叠形成的金属堆栈结构。
[0007]优选地，所述第一石英晶体谐振器中的铂和金的厚度通过以下方式确定：在仿真软件中构建第一底部电极，在该第一底部电极上构建第一石英晶体，在该第一石英晶体上构建第一金属复合层和第二金属复合层，得到第一石英晶体谐振器模型；将所述第一石英晶体谐振器模型等效为沿长度方向密度变化、弹性系数和介电常数不变的第二石英晶体谐振器模型；其中，所述第二石英晶体谐振器模型沿长度方向包括密度不同的五部分等效石英晶体，所述第一金属复合层位于第二部分等效石英晶体，所述第二金属复合层位于第四部分等效石英晶体；通过遍历所述五部分等效石英晶体的密度组合，确定所述第二石英晶体谐振器模型在解耦特性和能陷效果达到要求时，所述五部分等效石英晶体的目标密度组合；根据所述目标密度组合得到所述第二石英晶体谐振器模型中的铂和金的厚度，并据此设定所述第一石英晶体谐振器中的铂和金的厚度。
[0008]优选地，根据所述目标密度组合得到所述第二石英晶体谐振器模型中的铂和金的厚度，包括：根据所述目标密度组合，分别计算第二至第四个等效石英晶体相对于所述第一石英晶体的质量比；将所计算的多个质量比分别代入等效石英晶体的质量比方程，通过求解方程组求解第二石英晶体谐振器模型中的铂和金的厚度。
[0009]优选地，所述第一石英晶体和所述第二石英晶体均为AT
‑
切型矩形石英晶体。
[0010]优选地，所述第一石英晶体的厚度为0.1mm，所述第一石英晶体谐振器中的铂和金的厚度均为0.2μm。
[0011]优选地，所述氢气传感器还包括：电光转换模块和光纤；所述电光转换模块，用于将所述第三传感信号转换为光信号；所述光纤，用于向外传输所述光信号。
[0012]优选地，所述第二石英晶体的表面涂覆有氢气敏感材料，且涂覆厚度与所述第二石英晶体的表面上涂覆的氢气敏感材料的厚度相同。
[0013]优选地，所述氢气敏感材料，包括：二氧化钛氢敏材料和/或三氧化钨氢敏材料。
[0014]优选地，所述氢气敏感材料，包括：还原氧化石墨烯(RGO)。
[0015]本专利技术提供的氢气传感器中，第一石英晶体谐振器中的第一石英晶体的表面涂覆有氢气敏感材料，可感知氢气浓度，形成第一传感信号；第二石英晶体谐振器与第一石英晶体谐振器的结构相同，且被置于内充氩气的密封盒体中；由于氩气是惰性气体，因此第二石
英晶体谐振器感知的氢气浓度始终为0，由此第二石英晶体谐振器的第二底部电极输出的第二传感信号可作为参考信号，将其与第一传感信号进行对比，并将两者的差异通过差分放大器进行放大，可以得到更为准确且动态范围更大的表征氢气浓度的第三传感信号。
[0016]本专利技术提供的氢气传感器无需燃烧氢气，无需频繁标定、具有较大的线性范围和灵敏度，不需要加热，不需要使用电解液，解决了
技术介绍
中所提到的各种氢气传感器所存在的问题，具有诸多有益效果，适于推广使用。
附图说明
[0017]图1是本专利技术实施例提供的一种氢气传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施例中将第一石英晶体谐振器模型等效为第二石英晶体谐振器模型的示意图；图3是本专利技术实施例提供的另一种氢气传感器的结构示意图。
具体实施方式
[0018]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0019]为了解决
技术介绍
中提到的各种现有氢气传感器所存在的问题，本专利技术实施例提供了一种氢气传感器，如图1所示，该氢气传感器包括：第一石英晶体谐振器1、第二石英晶体谐振器2、密封盒体以及差分放大器3。
[0020]其中，第一石英晶体谐振器1，包括第一石英晶体和第一底部电极；该第一石英晶体叠加于该第一底部电极之上；该第一石英晶体的表面涂覆有氢气敏感材料，如二氧化钛氢敏材料和/或三氧化钨氢敏材料等；该第一底部电极用于输出第一传感信号。
[0021]第二石英晶体谐振器2，包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括：第一石英晶体谐振器、第二石英晶体谐振器、密封盒体以及差分放大器；所述第一石英晶体谐振器，包括第一石英晶体和第一底部电极；所述第一石英晶体叠加于所述第一底部电极之上；所述第一石英晶体的表面涂覆有氢气敏感材料；所述第一底部电极用于输出第一传感信号；所述第二石英晶体谐振器，包括第二石英晶体和第二底部电极；所述第二石英晶体叠加于所述第二底部电极之上；所述第二底部电极用于输出第二传感信号；所述第二石英晶体谐振器被置于所述密封盒体中，所述密封盒体内充氩气；所述第一石英晶体和所述第二石英晶体的结构尺寸相同，所述第一底部电极和所述第二底部电极的结构尺寸相同；所述差分放大器的两个输入端分别连接所述第一底部电极和所述第二底部电极，用于对所述第一传感信号和所述第二传感信号的差异进行放大，得到表征氢气浓度的第三传感信号。2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一底部电极和所述第二底部电极均为由铬和铂自上而下堆叠形成的金属堆栈结构。3.根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一石英晶体谐振器，还包括：分别叠加在所述第一石英晶体上的第一金属复合层和第二金属复合层；所述第一金属复合层上涂覆有所述氢气敏感材料；所述第二石英晶体谐振器，还包括：分别叠加在所述第二石英晶体上的第三金属复合层和第四金属复合层；所述第一金属复合层和所述第三金属复合层均为由铬、金和铂自下而上堆叠形成的金属堆栈结构；所述第二金属复合层和所述第四金属复合层均为由铬和金自下而上堆叠形成的金属堆栈结构。4.根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一石英晶体谐振器中的铂和金的厚度通过以下方式确定：在仿真软件中构建第一底部电极，在该第一底部电极上构建第一石英晶体，在该第一石英晶体上构建第一金属复合层和第二金属复合层，得到第一石...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩杨凌峰，李昕，倪立，周洋，
申请(专利权)人：首凯高科技江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：