CN108169294A - 具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，包括壳体、顶盖、传感芯片和转接电路板，转接电路板安装于壳体内腔的底部，传感芯片安装于转接电路板上，转接电路板上设有焊盘，传感芯片的接线端与焊盘连接，电缆的内端穿过电缆孔与焊盘连接；传感芯片由下而上依次设有基底层、绝缘层、下层阻氢层、加热/测温层、上层阻氢层、氢敏层、抗氧化层，加热/测温层设有测温电阻丝和加热电阻丝，氢敏层设有氢敏电阻丝。本发明通过在传感芯片上设置加热电阻丝，使传感芯片具有自加热功能，通过将传感芯片封装在封闭的壳体内腔内，便于增加温度补偿效果，从而提高测量精度；通过安装转接电路板，使其便于应用。

Description

具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器

技术领域

本发明涉及一种薄膜氢气传感器，尤其涉及一种具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，采用不同封装和转接方法也可适用于微间隙层间氢气测量。

背景技术

氢气作为一种新型的清洁能源，广泛应用于工业生产和军工航空领域中，但其也是一种危险气体，当其浓度高于4％时极易发生爆炸，威胁生产和人员安全。因此无论是在新能源开发中氢气生产、存储、运输和作为燃料电池氢能使用方面，还是在航空工业中氢气燃料安全性检测，以及核电工业预防氢泄露事故，氢爆快速预警及核废料处理等方面，可靠的氢气检测都具有重要意义。

氢气传感器种类繁多，不同种类传感器各有优缺点，多数气氛传感探头存在体积大、易受温度干扰等缺点，因此在某些如微间隙等密闭狭小空间内，或者充放气和温度变化大的场合均无法适用。其中伴随半导体制备工艺成熟和后处理工艺不断完善，迅速发展起来一种薄膜电阻型氢气传感器，简称薄膜氢气传感器，其主要工作原理是当传感器暴露在氢气中，氢气吸附、渗透会使传感器中氢敏材料敏感层电阻变大，当传感器从氢气中移开，氢气会脱离氢敏材料，使氢敏电阻降低并恢复到零点电阻。由于其具有体积微小、量程大、后端测试设备和测试技术成熟等优点，在某些狭小空间内应用具有很好的前景。但薄膜氢气传感器，具有强的温度敏感特性，环境温度和周围空气的微小环境温度波动和充放气时气流波动大，都会给测量带来很大误差。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种测量误差小的具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，包括壳体、顶盖和传感芯片，所述壳体内设有壳体内腔，所述传感芯片置于所述壳体内腔内，所述顶盖安装在所述壳体上，所述薄膜氢气传感器还包括转接电路板，所述转接电路板安装于所述壳体内腔的底部且所述转接电路板与所述壳体内腔的底部之间设有绝缘层，所述传感芯片安装于所述转接电路板上，所述转接电路板上设有焊盘，所述传感芯片的接线端与所述焊盘连接，所述壳体内腔的腔壁上设有电缆孔，电缆的内端穿过所述电缆孔与所述焊盘连接；所述传感芯片由下而上依次设有基底层、绝缘层、下层阻氢层、加热/测温层、上层阻氢层、氢敏层、抗氧化层，所述加热/测温层设有测温电阻丝和加热电阻丝，所述氢敏层设有氢敏电阻丝。

根据实际需要，所述转接电路板为适用于微间隙传感芯片的转接电路板，包括由聚酰胺树脂制作而成的柔性薄膜基底，所述柔性薄膜基底上设有所述焊盘，所述微间隙传感芯片粘贴在所述柔性薄膜基底上，所述微间隙传感芯片的电极与所述焊盘之间通过金丝连接；或者，所述转接电路板为适用于插拔式传感芯片的转接电路板，包括芯片封装壳体和PCB基板，所述插拔式传感芯片置于所述芯片封装壳体内，所述芯片封装壳体安装在所述PCB基板上，所述PCB基板上设有相互连接的所述焊盘和焊盘孔，所述插拔式传感芯片的电极与所述焊盘之间通过金属引线连接。

为了便于绝缘安装，所述壳体下面设有绝缘垫。

为了使外部气体能够进入壳体内腔内，所述壳体的侧壁上设有与所述壳体内腔相通的侧气孔，所述顶盖上设有所述壳体内腔相通的顶部气孔。

为了便于透气隔热，所述壳体内腔内的空余空间内填充有透气隔热材料。透气隔热材料使得外界波动气流无法直接吹到传感芯片上带走热量，且具有良好透气和保温作用。

优选地，所述透气隔热材料为硅酸铝材料。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在传感芯片上设置加热电阻丝，使传感芯片具有自加热功能，通过将传感芯片封装在封闭的壳体内腔内，形成一个小的恒温空间，便于减少传感芯片热平衡时间并可降低温度对氢气浓度测量结果的影响，增加温度补偿效果，从而提高测量精度；通过在壳体内腔内安装转接电路板并使其与壳体绝缘，便于安装传感芯片的同时还便于将传感芯片的信号传输出壳体与其它部件连接，使其便于应用，而且可以根据需要安装微间隙传感芯片或插拔式传感芯片，使其具有可铠装也可适用于微间隙测量的功能。

附图说明

图1是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的立体结构示意图，图中顶盖未与壳体连接；

图2是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的传感芯片的俯视结构示意图；

图3是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的传感芯片的主视剖视结构示意图；

图4是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器采用的微间隙传感芯片的俯视结构示意图；

图5是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器采用的插拔式传感芯片的俯视结构示意图；

图6是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的氢敏电阻丝的温度特性曲线；

图7是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的测温电阻丝的温度特性曲线；

图8是本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的氢气响应特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图5所示，本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器包括壳体1、绝缘垫11、顶盖2、传感芯片4和转接电路板3，壳体1的下面设有绝缘垫11并通过连接螺钉10连接，壳体1内设有壳体内腔13，传感芯片4置于壳体内腔13内，壳体1的侧壁上设有与壳体内腔13相通的侧气孔5，顶盖2通过顶盖螺栓8安装在壳体1上并与壳体1上的顶盖螺孔9连接，顶盖2上设有壳体内腔13相通的顶部气孔6，壳体内腔13内的空余空间内填充有透气隔热材料，优选为硅酸铝材料(图中未示)，转接电路板3安装于壳体内腔13的底部且转接电路板3与壳体内腔13的底部之间设有绝缘层(此绝缘层未在图中示出，与下述绝缘层19不同)，传感芯片4安装于转接电路板3上，转接电路板3上设有焊盘(见图4的微间隙传感芯片35的焊盘31和图5的插拔式传感芯片43的焊盘45)，传感芯片4的接线端与所述焊盘连接，壳体内腔13的腔壁上设有电缆孔12，电缆7的内端穿过电缆孔12与所述焊盘连接；传感芯片4由下而上依次设有基底层18、绝缘层19、下层阻氢层20、加热/测温层21、上层阻氢层22、氢敏层23、抗氧化层24，加热/测温层21设有测温电阻丝14和加热电阻丝15，氢敏层23设有氢敏电阻丝16，抗氧化层24上设有电极17。

如图4所示，转接电路板3可以为适用于微间隙传感芯片35的转接电路板，包括由聚酰胺树脂制作而成的柔性薄膜基底36，柔性薄膜基底36采用单面设计，柔性薄膜基底36上设有焊盘31，微间隙传感芯片35粘贴在柔性薄膜基底36上，微间隙传感芯片35的电极32与焊盘31之间通过金丝34或引线33连接。更具体说明如下：微间隙传感芯片35的厚度可制作到100微米，体积缩小到毫米级，因此可应用于微间隙狭小空间内氢气的测量；将微间隙传感芯片35直接焊接在柔性薄膜基底36上，柔性薄膜基底36由聚酰胺树脂材料制作，厚度可以到100微米，宽度依据传感芯片宽度定，不超过5mm，长度任意，内部埋引线33将微间隙传感芯片35的电阻引出微间隙空间，通过引线出现口处的焊盘31可以焊接普通电缆线，将微间隙传感芯片35的感应电阻输出给外部测量仪表，微间隙传感芯片35粘贴在柔性薄膜基底36上，利用超压焊接工艺将金丝34焊接在微间隙传感芯片35的电极32和对应的焊盘31上，或者利用导电胶将金丝34微间隙传感芯片35的电极32和对应的焊盘31；为保护金丝31，可以在连接处少量点硅胶牢固金丝31并不增加整体厚度，以防止安装过程中不慎将金丝31碰断；由于微间隙传感芯片35和柔性薄膜基底36的整体厚度不大于250微米，且柔性薄膜基底36制作的柔性薄膜电路板可以弯曲，因此方便安装于曲面或平面结构微间隙空间内，测量这类狭小空间气氛。

如图5所示，转接电路板也可以为适用于插拔式传感芯片43的转接电路板，包括芯片封装壳体42和PCB基板44，插拔式传感芯片43置于芯片封装壳体42内，芯片封装壳体42安装在PCB基板44上，PCB基板44上设有相互连接的焊盘45和焊盘孔47，插拔式传感芯片43的电极46与焊盘45之间通过金属引线41连接，金属引线41优选采用金丝线。更具体说明如下：由于插拔式传感芯片43的体积为毫米量级，其上电极46的镀膜厚度仅纳米量级，且外部镀金因此无法直接采用焊锡与电缆线焊接，为了不损坏电极且确保导通质量，可以采用超压焊接方式利用双重金属引线41将插拔式传感芯片43的电极46与焊盘45导通；芯片封装壳体42采用外购方式定制，一般选用TQFP封装壳体，壳体体积小，插拔式传感芯片43的引脚与电极46导通，芯片封装壳体42上壳体内外引脚原本导通；焊盘孔47的作用是便于将其直接插接在标定装置内部电路板上，直接通过排插插针连接，这样方便同时标定多只插拔式传感芯片43，且插接和拆取方便，不容易损伤插拔式传感芯片43；待获取了标定数据后，再将整个转接电路板安装于传感器封装壳体1的内部，并焊接上电缆线，制作成铠装传感器，方便安装在试件上并且便于长期使用。

为了便于理解，下面对本发明所述具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器的具体结构和部分加工方法及使用方法进行具体说明：

氢敏电阻丝16由氢敏材料制作，主要功能是感应外界氢气浓度的变化；加热电阻丝15由Pt(铂)材料制作，用于给传感芯片4加热；测温电阻丝14由Pt材料制作，主要功能是感应外界温度变化并输出信号，用于通过外部温度控制器处理后对氢敏电阻丝16起到温度补偿作用，消除外界环境温度变化对氢气响应值的影响；微间隙传感芯片35的电极32和插拔式传感芯片43的电极46均可采用镀金材料制作，用于将3组电阻丝的电阻值引出给外部仪表。由于传感芯片4铠装完成后，若应用环境温度波动和充放气时气流波动大，会给传感器气氛测量结果带来很大误差，因此可以通过传感芯片4上自带的加热电阻丝15对芯片加热，腔体内部透气隔热材料使得外界波动气流无法直接吹到传感芯片4上带走热量，且具有良好透气和保温作用，通过芯片自加热功能可以在内部芯片封装壳体内构建一个小的恒温空间，便于减少芯片热平衡时间并可降低温度对氢气浓度测量结果的影响。

图3是传感芯片4的多层结构示意图，传感芯片4具有7层薄膜结构，其中，基底层18一般采用Si(硅)基片，厚度100-400微米，绝缘层19采用SiO₂(二氧化硅)沉积，用于使氢敏层23和加热/测温层21与安装面绝缘隔离，下层阻氢层20和上层阻氢层22采用隔氢材料沉积而成，用于防止加热/测温层21上的温敏材料受氢气交叉干扰，且长时间暴露于氢气中产生氢脆等现象影响温度电阻测量效果和准确性，加热/测温层21用于设置加热电阻丝15和测温电阻丝14，由于两者采用同种材料磁控溅射制成，所以可制作在同一层上，两者厚度和长度根据不同需求而设计，其中加热电阻丝15一般设计成几十欧，测温电阻丝14比照Pt100标准铂电阻的电阻值设计为120欧左右，两者不能相互交叉，各自通过电极引出，氢敏层23用于制作氢敏电阻丝16，位置在加热/测温层21的上方，可以选用多种氢敏材料磁控溅射而成，优选钯合金材料，具有优良的氢选择性和常温氢敏特性，其厚度和长度根据不同量程、氢气灵敏度等传感器设计指标而定，电阻值通过电极引出，抗氧化层24采用磁控溅射一层3-5nm厚度的Pt薄膜制作，可增强氢催化和渗透，并起到一定抗氧毒化功能，提高传感芯片4的长期稳定性。

下面以实验验证氢敏电阻丝16、测温电阻丝14和薄膜氢气传感器的相关特性：

为考核氢敏电阻丝16、测温电阻丝14的温度特性，采用高精度加热恒温装置从室温开始给两者同步加热和降温，并采用高精度电阻仪测量氢敏电阻丝16、测温电阻丝14的阻值变化。测点可根据传感芯片使用环境改变，精确控制环境温度，温度误差小于±0.3℃，每个温度点保持20-30分钟，以保证传感芯片4的热平衡和均匀受热，获取氢敏电阻丝16、测温电阻丝14的温度特性曲线，如图6和图7所示，从测试数据可以看出两者的温度线性度均很好，因此测试时可以采用温度补偿的方法消除温度误差，具体温度补偿算法如下：

通过实验数据求出测温电阻丝14的温度响应拟合曲线为：

y₁＝k₁·t₁+b₁ (1)

氢敏电阻丝16的温度响应拟合曲线为：

y₂＝k₂·t₂+b₂ (2)

式中，b1和b2是常数，k1和k2是测温电阻丝14和氢敏电阻丝16的温度敏感系数，y1和y2是随温度变化带来的测温电阻丝14和氢敏电阻丝16的电阻值变化。由公式(1)和(2)，t1＝t2，求出氢敏电阻丝16随温度变化而产生的电阻变化量为

图8是薄膜氢气传感器的氢气响应特性曲线；将外界温度保持在一个恒定值，一般是25℃，恒温半小时后，通入标准浓度氢气，采用高精度电阻仪测量氢敏电阻丝16的阻值变化。由于此类氢响应非线性性强，因此分0-2000ppm、2000ppm-10000ppm、10000ppm-40000ppmS三个浓度段进行0～40000ppm氢响应特性实验，再按同样测点逐步降低到零浓度，绘制出氢响应标定曲线。通过图8的实验曲线可以看出，此类薄膜氢气传感器的氢响应非线性性强，低浓度时灵敏度高，高浓度时灵敏度逐步下降，但薄膜氢气传感器的往返测量结果的重合性好，传感单元迟滞误差小，分辨率100ppm。

实时测量氢气浓度的方法如下：采用多阶多项式拟合氢气响应标定曲线，拟合曲线与真实测量值误差小。一般采用三阶以上多项式拟合曲线，比如拟合曲线为：

y₃＝a₁·x³+a₂x²+a₃x+b (4)

公式(4)中，a1～a3以及b是常数，通过实验标校可以获得，x是氢气浓度值，y3是氢敏电阻丝16的电阻值。

当外界氢气浓度变化时，实时通过高精度电阻测量仪获得氢敏电阻丝16的电阻值y0，采用公式(4)可以反推算出对应的氢气浓度。但实际测量时环境温度会给测量值带来交叉干扰，必须去除温度变化引起的氢敏电阻丝16的阻值变化。利用公式(3)，获得只因氢气浓度引起的氢敏电阻丝16的阻值为

从公式(5)可以看出，实时采集测温电阻丝14和氢敏电阻丝16的电阻值，就可以获得氢气浓度带来的氢敏电阻丝16的阻值变化，实现温度补偿。然后在测量数据后处理时，利用预先标定好的氢气响应特性曲线，采用插值法便可将氢敏电阻丝16的阻值转换成实时氢气浓度值显示出来。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，包括壳体、顶盖和传感芯片，所述壳体内设有壳体内腔，所述传感芯片置于所述壳体内腔内，所述顶盖安装在所述壳体上，其特征在于：还包括转接电路板，所述转接电路板安装于所述壳体内腔的底部且所述转接电路板与所述壳体内腔的底部之间设有绝缘层，所述传感芯片安装于所述转接电路板上，所述转接电路板上设有焊盘，所述传感芯片的接线端与所述焊盘连接，所述壳体内腔的腔壁上设有电缆孔，电缆的内端穿过所述电缆孔与所述焊盘连接；所述传感芯片由下而上依次设有基底层、绝缘层、下层阻氢层、加热/测温层、上层阻氢层、氢敏层、抗氧化层，所述加热/测温层设有测温电阻丝和加热电阻丝，所述氢敏层设有氢敏电阻丝。

2.根据权利要求1所述的具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，其特征在于：所述转接电路板为适用于微间隙传感芯片的转接电路板，包括由聚酰胺树脂制作而成的柔性薄膜基底，所述柔性薄膜基底上设有所述焊盘，所述微间隙传感芯片粘贴在所述柔性薄膜基底上，所述微间隙传感芯片的电极与所述焊盘之间通过金丝连接；或者，所述转接电路板为适用于插拔式传感芯片的转接电路板，包括芯片封装壳体和PCB基板，所述插拔式传感芯片置于所述芯片封装壳体内，所述芯片封装壳体安装在所述PCB基板上，所述PCB基板上设有相互连接的所述焊盘和焊盘孔，所述插拔式传感芯片的电极与所述焊盘之间通过金属引线连接。

3.根据权利要求1或2所述的具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，其特征在于：所述壳体下面设有绝缘垫。

4.根据权利要求1或2所述的具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，其特征在于：所述壳体的侧壁上设有与所述壳体内腔相通的侧气孔，所述顶盖上设有所述壳体内腔相通的顶部气孔。

5.根据权利要求1或2所述的具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，其特征在于：所述壳体内腔内的空余空间内填充有透气隔热材料。

6.据权利要求5所述的具有自加热和温度补偿功能的薄膜氢气传感器，其特征在于：所述透气隔热材料为硅酸铝材料。