氢检测传感器及其制造方法与流程

本发明涉及一种能够通过电方式检测氢的氢检测传感器及其制造方法，通过包括温度补偿元件，可在常温和高温下分离根据氢的响应而产生信号。

背景技术：

1、最近，广泛地进行使用氢气作为替代石油的可再生清洁能源的研究。氢燃料被认为是未来能源的候选者，因为氢具有高燃烧热和低点火能量，并且完全燃烧。但是，由于氢气极易挥发，易燃易爆，因此，当氢气的浓度超过临界值时会很危险。另外，由于氢气是一种无色、无嗅、无味的易燃性气体，因此，人类的五官无法察觉。为了作为燃料安全地使用氢气，必须要求另外的氢气传感器。

2、已经报道了各种类型的氢传感器，其中电传感器被最广泛地使用。尤其，广泛使用利用氢吸附能力高的钯的电传感器。然而，就钯而言，当暴露于低浓度的氢时，具有α相，其电导率随着氢浓度成比例变化，但是，当暴露于高浓度的氢时，由于从α相转变为β相，β相的钯的电导率不随氢浓度成比例变化，存在不能用作氢检测材料的问题。此外，钯从α相转变为β相时，伴随体积膨胀，因此，当反复暴露于高浓度氢时，氢检测层会出现裂纹和断裂，导致无法检测到氢的问题。因此，使用钯作为氢检测材料的现有电传感器，只能检测浓度低于约4％的氢。

3、为了解决钯转变为β相的问题，提出了将钯与异种金属合金化，用作氢检测材料的方法。具体地，提出了将钯和异种金属利用通过溅射的共沉积进行合金化的方式，但是，使用这种方式时，存在在两种材料的等离子之间发生干涉导致钯和异种金属的比率不均匀，而且不能反复形成相同比率的合金层的问题。另外，由于沉积条件的局限性，存在能改善氢感测材料的特性的自由度低，而且，为了共沉积，必须需要2个以上的沉积枪等的问题。

4、此外，现有的氢传感器存在电阻值在变化的温度环境下发生变化，因此，难以仅分离根据氢响应而产生的信号，导致氢检测可靠性降低的问题。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的一目的在于，提供一种氢检测传感器，所述氢检测传感器，包括：传感元件，具备由催化金属和过渡金属的合金而制成，所述过渡金属的比率根据位置而变化的感应层；以及补偿元件，用于测量根据温度变化的电阻，从而，可以稳定地检测高浓度的氢。

3、本发明的其他目的在于，提供一种所述氢检测传感器的制造方法。

4、技术方案

5、根据本发明的实施例的氢检测传感器，其中，包括：基板；加热器层，形成于所述基板上发热；传感元件，形成于所述加热器层的上面，具备感应层，所述感应曾由电阻通过氢吸附可逆地变化的催化金属和过渡金属的合金而制成，并具有所述过渡金属对所述催化金属的比率根据位置连续变化的第一合金层层叠2层以上的结构，所述传感元件用于测量根据氢浓度的电阻；以及补偿元件，其与所述传感元件相隔开地形成于所述加热器层的上面，具备材料层及保护膜层，所述材料层具有与所述感应层相同的结构，所述保护膜层覆盖所述材料层，用于防止外部物质的透过，所述补偿元件测量根据温度变化的电阻。

6、作为一实施例，所述传感元件，可以包括：第一电极与第二电极，与所述感应层相接触，彼此相隔开；以及分析电路，与所述第一电极与第二电极电连接，用于测量所述感应层的电阻变化。

7、作为一实施例，所述催化金属可以包括钯或铂，所述过渡金属可以包括镍或镁。

8、作为一实施例，优选地，在所述合金层的每一个中，与所述合金层的上表面和下表面相邻的区域的所述过渡金属的比率低于在所述上表面和所述下表面之间的中央区域的所述过渡金属的比率。

9、作为一实施例，优选地，在所述合金层的每一个中，所述过渡金属对所述催化金属的比率在所述中央区域最高，随着远离所述中央区域，所述过渡金属的比率连续减小。

10、作为一实施例，所述加热器层由铂(pt)而形成，并可通过含有钛(ti)或铬(cr)的粘合层粘接在所述基板上。

11、作为一实施例，所述补偿元件，还可以包括：第三电极及第四电极，与被所述保护膜层覆盖的材料层相接触，彼此相隔开；以及分析电路，与所述第三电极和第四电极电连接，用于测量根据温度变化的电阻变化。

12、作为一实施例，所述保护膜层可以包括聚四氟乙烯(ptfe，polytetrafluoroethylene)、聚二甲基硅氧烷(pdms，polydimethylsiloxane)或氧化铝(al2o3)。

13、另一方面，根据本发明的其他实施例的氢检测传感器的制造方法，其中，可以包括：在基板上沉积铂，形成加热器层的步骤；在所述加热器层的上面交替层叠形成多个催化金属层及多个过渡金属层，其中所述多个催化金属层由电阻通过氢吸附可逆地变化的催化金属而构成，所述多个过渡金属层由与所述催化金属合金化，并抑制所述催化金属的相变的过渡金属而构成，扩散所述过渡金属，使所述催化金属和所述过渡金属合金化，而形成氢感应层，从而制造传感元件的步骤；以及以与形成所述氢感应层相同的方式，在加热器层的上面形成与所述氢感应层隔开间隔的材料层，并形成覆盖所述材料层的暴露表面的保护膜层，而制造补偿元件的步骤。

14、作为一实施例，所述催化金属层可以通过钯或铂的溅射工艺而形成，所述过渡金属层可以通过镍或镁的溅射工艺而形成。

15、作为一实施例，优选地，所述催化金属层形成为1nm以上且4nm以下的厚度，并且，所述过渡金属层形成为所述催化金属层的厚度的0.1至0.5倍的厚度。例如，优选地，所述过渡金属层形成为所述催化金属层的厚度的0.1至0.3倍的厚度。

16、作为一实施例，所述加热器层可通过铂的电子束沉积工艺而形成，可通过包含钛(ti)或铬(cr)的粘合层粘接在所述基板上。

17、作为一实施例，所述保护膜层可通过氧化铝(al2o3)的原子层沉积(ald)工艺而形成。

18、作为其他实施例，所述保护膜层可通过聚四氟乙烯(ptfe，polytetrafluoroethylene)或聚二甲基硅氧烷(pdms，polydimethylsiloxane)的沉积工艺或溅射工艺而形成。

19、技术效果

20、根据本发明的实施例的氢检测传感器及其的制造方法，由于交替层叠多个催化金属层和多个过渡金属层后，扩散所述过渡金属层的过渡金属来形成用于检测氢的感应层，因此，防止现有的因共沉积异种金属而形成合金层时发生的等离子体干涉现象，从而，可以反复形成具有相同组成的合金层，其结果，可以提高量产性。此外，由于独立地形成所述催化金属层和所述过渡金属层，因此，可以大大增加改善材料性质的自由度。

21、而且，由于包括电阻仅随温度变化的补偿元件，因此，通过在在变化的温度环境下校正传感元件的电阻特性，从而，具有在常温和高温下可以分离根据氢响应而产生的信号的优点。

22、此外，通过使用加热器层在低温操作和常温以上的温度下设置将成为信号的参考点的基线，从而，具有可以确保非常宽的操作温度的效果。

技术特征：

1.一种氢检测传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的氢检测传感器，其特征在于，所述传感元件包括：

3.根据权利要求1所述的氢检测传感器，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的氢检测传感器，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的氢检测传感器，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的氢检测传感器，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的氢检测传感器，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的氢检测传感器，其特征在于：

9.一种氢检测传感器的制造方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的氢检测传感器的制造方法，其特征在于：

11.根据权利要求9所述的氢检测传感器的制造方法，其特征在于：

12.根据权利要求11所述的氢检测传感器的制造方法，其特征在于：

13.根据权利要求9所述的氢检测传感器的制造方法，其特征在于：

14.根据权利要求9所述的氢检测传感器的制造方法，其特征在于：

15.根据权利要求9所述的氢检测传感器的制造方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开一种氢检测传感器。所述氢检测传感器，包括：基板；加热器层，形成于所述基板上发热；传感元件，形成于所述加热器层的上面，具备感应层，所述感应曾由电阻通过氢吸附可逆地变化的催化金属和过渡金属的合金而制成，并具有所述过渡金属对所述催化金属的比率根据位置连续变化的第一合金层层叠2层以上的结构，所述传感元件用于测量根据氢浓度的电阻；以及补偿元件，其与所述传感元件相隔开地形成于所述加热器层的上面，具备材料层及保护膜层，所述材料层具有与所述感应层相同的结构，所述保护膜层覆盖所述材料层，用于防止外部物质的透过，所述补偿元件测量根据温度变化的电阻。

技术研发人员：徐亨卓,韩承益
受保护的技术使用者：股份公司大贤ST
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11