【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于氢气传感器领域，特别涉及一种薄膜氢气传感器。
技术介绍
1、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。
2、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。
3、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。
4、传统的现有技术解决方案，例如，h2scan公司在中国专利技术专利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，其包括用于感测小浓度氢气的mos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。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：
5、1)传感器结构设计较为复杂，包含了mos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，传感器生产工艺复杂，且薄膜加热器的设置大大增加了传感器的功耗。
6、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。
7、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
8、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。
9、现有氢气传感器中，一般通过在参比氢敏电阻元件上利用薄膜制备技术层积多层金属和氧化物的复合膜来隔离氢气，这种方式工艺复杂，且传感器长期在氢环境中有氢气渗透的风险。
技术实现思路
1、本专利技术旨在针对现有技术氢气传感器生产工艺复杂、传感器测量精度低、功耗大等方面的缺陷，提供一种薄膜氢气传感器及其制备方法，该传感器生产工艺简单成熟，提高了传感器的灵敏度和测量精度，无需加热元件从而大大降低传感器功耗。
2、为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种薄膜氢气传感器，包括基底、用于检测氢气浓度的氢气测量单元、键合玻璃；
4、所述氢气测量单元为具有4个桥臂的惠斯通电桥结构，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，每个桥臂上的氢敏电阻元件个数相同，其中两个相对的桥臂上设有用于氢气测量的氢敏电阻元件，另两个相对的桥臂上设有参比氢敏电阻元件；
5、所述基底上下两面对应设置有上氧化物绝缘层和下氧化物绝缘层，所述氢敏电阻元件位于上氧化物绝缘层上，参比氢敏电阻元件位于下氧化物绝缘层上；
6、所述键合玻璃靠近基底的一端设置有凹槽，凹槽壁顶部与基底密封连接而在凹槽内形成密闭空腔，所述参比氢敏电阻位于所述密闭空腔内；
7、所述参比氢敏电阻元件上连接金属引针，所述金属引针一端连接参比氢敏电阻元件，另一端相对键合玻璃背离基底的一端伸出。
8、工作时，所述惠斯通电桥结构中的用于氢气测量的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；惠斯通电桥结构中的参比氢敏电阻元件通过密闭腔室实现了与氢气的物理隔离，在与氢气接触后不会产生电阻变化。
9、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。
10、进一步地，所述键合玻璃上设置有多个通孔，所述金属引针穿过所述通孔，所述金属引针数量是参比氢敏电阻元件数量的2倍，所述通孔数量和金属引针数量相同。
11、进一步地，所述金属引针四周具有导电银浆层，所述键合玻璃背离基底的一端喷涂密封胶，所述金属引针一端连接参比氢敏电阻元件，另一端相对密封胶伸出，键合玻璃和基底之间形成密闭空腔。
12、进一步地，所述氢气测量单元上设置金属电极凸点，所述金属凸点用来连接金属引针。
13、进一步地，所述上氧化物绝缘层和下氧化绝缘层的周向尺寸小于基底。
14、进一步地，所述氧化物绝缘层为一层或多层氧化物薄膜，氧化物绝缘层优选绝缘特性优良的介质材料，优选二氧化硅，三氧化二铝。进一步地，氢敏电阻元件和参比氢敏电阻元件优选为对氢气具有催化作用的金属材料，优选为钯-铬、钯-金、钯-镍合金。进一步地，键合玻璃优选为肖特bf33玻璃、康宁7740玻璃。
15、基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种薄膜氢气传感器的制备方法，其包括以下步骤：
16、(1)在基底上下表面分别制备上氧化物绝缘层和下氧化物绝缘层；
17、(2)在上氧化物绝缘层和下氧化物绝缘层上制作惠斯通电桥结构的氢气测量单元；
18、(3)采用预先加工凹槽的键合玻璃和基底进行阳极键合，安装金属引针，并使得凹槽壁顶部与基底密封连接而在凹槽内形成密闭空腔；
19、(4)切片制得薄膜氢气传感器。
20、优选地，所述步骤(1)通过光刻和薄膜沉积技术在基底上下表面分别制备一层或多层氧化物薄膜，形成上下氧化物绝缘层，实现电气绝缘。
21、优选地，所述步骤(2)使用光刻技术，在上下氧化物绝缘层表面各形成氢敏电阻元件的图形结构，通过热蒸发、溅射技术沉积氢敏薄膜，经剥离清洗可得到惠斯通电桥结构的氢气测量单元。
22、优选地，所述步骤(3)中，在键合玻璃通孔中填充四周具有导电银浆层的金属引针，然后在惰性气气氛或真空环境下低温烧结固化，烧结完成后在键合玻璃背离基底的一端的表面喷涂密封胶，形成所述密闭腔室。
23、优选地，氧化物薄膜厚度为200nm～2000nm；进一步优选地，氧化物薄膜厚度为400nm～1500nm；进一步优选地，氧化物薄膜厚度为800nm～1000nm；
24、优选地，氢敏薄膜厚度为50nm～200nm；进一步优选地，氢敏薄膜厚度为80nm～180nm；进一步优选地，氢敏薄膜厚度为100nm～150nm；
25、优选地，金属电极凸点厚度为800nm～2000nm；进一步优选地，金属电极凸点厚度为1000nm～1800nm；进一步优选地，金属电极凸点厚度为1200nm～1500nm；
26、本专利技术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，氢气浓度可测范围从0.005％～100％(体积分数)。
27、现有的氢气传感器技术都是在基片表面制备一组氢敏电阻元件、一组加热电阻元件和一组测温电阻元件。通过加热电阻元件和测温电阻元件来实现传感器的温度控制，恒定温度下，电阻元件的电阻值就只和氢本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种薄膜氢气传感器，其特征在于，包括基底(1)、用于检测氢气浓度的氢气测量单元(2)、键合玻璃(3)，
2.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述键合玻璃(3)上设置有多个通孔(33)，所述金属引针(34)穿过所述通孔(33)，所述金属引针(34)数量是参比氢敏电阻元件(22)数量的2倍，所述通孔(33)数量和金属引针(34)数量相同。
3.根据权利要求2所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述金属引针(34)四周具有导电银浆层，所述键合玻璃(3)背离基底(1)的一端喷涂密封胶(35)，所述金属引针(34)一端连接参比氢敏电阻元件(22)，另一端相对密封胶(35)伸出。
4.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述氢气测量单元(2)上设置金属电极凸点(6)。
5.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述上氧化物绝缘层(4)和下氧化物绝缘层(5)的周向尺寸小于基底(1)。
6.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述上氧化物绝缘层(4)和下氧化物绝缘层(5)为一层或多层氧
7.根据权利要求6所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述氧化物薄膜由二氧化硅和/或三氧化二铝制成。
8.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述氢敏电阻元件(21)和参比氢敏电阻元件(22)由钯-铬合金、钯-金合金或钯-镍合金制成。
9.根据权利要求1-8任一项所述的薄膜氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的薄膜氢气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在键合玻璃通孔(33)中填充四周具有导电银浆层的金属引针(34)，然后在惰性气气氛或真空环境下低温烧结固化，烧结完成后在键合玻璃(3)背离基底(1)的一端的表面喷涂密封胶(35)，形成所述密闭腔室。
...【技术特征摘要】
1.一种薄膜氢气传感器，其特征在于，包括基底(1)、用于检测氢气浓度的氢气测量单元(2)、键合玻璃(3)，
2.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述键合玻璃(3)上设置有多个通孔(33)，所述金属引针(34)穿过所述通孔(33)，所述金属引针(34)数量是参比氢敏电阻元件(22)数量的2倍，所述通孔(33)数量和金属引针(34)数量相同。
3.根据权利要求2所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述金属引针(34)四周具有导电银浆层，所述键合玻璃(3)背离基底(1)的一端喷涂密封胶(35)，所述金属引针(34)一端连接参比氢敏电阻元件(22)，另一端相对密封胶(35)伸出。
4.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述氢气测量单元(2)上设置金属电极凸点(6)。
5.根据权利要求1所述的薄膜氢气传感器，其特征在于，所述上氧化物绝缘层(4)和下氧化物绝...
【专利技术属性】
技术研发人员：景涛，陈浩，贺海浪，翁建青，
申请(专利权)人：苏州海卓赛思科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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