[發明專利]一種催化燃燒式氫氣傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202111621009.0
• 申請日: 2021-12-27
• 公開（公告）號: CN114324481A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 謝波;丁伯勝;胡軍;夏盛杰
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02;G01N27/12
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 龔如朝

本發明公開了一種催化燃燒式氫氣傳感器及其制備方法，所述催化燃燒式氫氣傳感器包括催化燃燒元件和補償元件，催化燃燒元件和補償元件都是以云母片為襯底的平面薄膜結構，并且均在云母片襯底表面上依次附著鉑電阻和氧化鋁薄膜載體；其中，催化燃燒元件的氧化鋁薄膜載體表面還附著鈀納米粒子作為催化劑。本申請的傳感器用于檢測氫氣濃度時，催化燃燒元件加熱到氫氣氧化的起始溫度，在催化劑的協助下氫氣無焰燃燒放熱使鉑電阻阻值增大，以此來檢測氫氣濃度。本申請的催化燃燒式氫氣傳感器中，補償元件基本架構和物理性質與催化燃燒元件一樣，只不過少了催化劑鈀納米粒子，氫氣在表面不發生燃燒反應，主要用于構成電橋測量電路和實現溫度補償功能。

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術領域，特別涉及一種催化燃燒式氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術

氫氣作為能源的一種形式，具有高的燃燒效率，且產物水具有無污染等優點，有潛力替換傳統的化石燃料。然而，氫氣作為一種易燃易爆氣體，在生產、儲存和使用過程中存在安全隱患問題，且氫氣屬于無色、無嗅、無味氣體，在發生氫氣泄漏時，無法被人的感官系統所發覺。因此，開發具備實際應用價值的氫氣傳感技術是實現氫能規模化應用的重要安全保障。

氫燃料電池汽車是氫氣傳感器最大量的應用場景，車載領域對產品性能的穩定性要求非常高。目前，催化燃燒式氫氣傳感器由于具有補償功能，能最大程度消除傳感器基線漂移，是最合適車載的氫氣傳感技術。然而，傳統催化燃燒式氫氣傳感器采用燈絲結構，長期工作于車載振動的復雜工況下，容易發生燈絲斷裂而導致器件失效，這限制了其在車載領域的應用。針對這一問題，MEMS平面結構催化燃燒傳感器應運而生。MEMS催化燃燒式氫氣傳感器是通過半導體微納加工技術在極薄的硅氧化層表面構筑催化燃燒敏感元件，襯底的支撐作用避免了燈絲結構易損的結構缺陷，但是MEMS催化燃燒傳感器其制作工藝復雜，成本較高。如何利用簡單的工藝，低成本實現平面結構催化燃燒式氫氣傳感功能仍然是一項富有挑戰性的任務。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種催化燃燒式氫氣傳感器及其制備方法，實現低成本制造基于平面結構的催化燃燒式氫氣傳感器的目的。本發明的催化燃燒式氫氣傳感器中，鉑電阻采用平面結構，回避了傳統燈絲結構的易斷性，同時采用云母片為該平面結構的襯底，利用磁控濺射結合掩模制備鉑電阻，回避了傳統MEMS催化燃燒器件的復雜制備工藝與高成本制備過程。

所述的一種催化燃燒式氫氣傳感器，其特征在于：包括催化燃燒元件和補償元件，所述催化燃燒元件和補償元件都是以云母片為襯底的平面薄膜結構，通過測量催化燃燒元件的電阻變化反應出外界氫氣濃度。所述催化燃燒元件包含平面式鉑電阻、氧化鋁薄膜載體層和鈀納米粒子催化劑；補償元件結構和催化燃燒元件一樣具有鉑電阻和氧化鋁薄膜載體層，所不同的是沒有鈀納米粒子催化劑。

進一步地，催化燃燒元件和補償元件可以是同一張云母片襯底，也可以各自位于獨立的云母片襯底。

作為優選，選擇厚度為10~100μm的云母片作為器件襯底。云母片作為重要的支撐結構承載整個傳感器的鉑電阻平面結構，能有效回避傳統燈絲結構在振動工況下的斷裂問題。

作為優選，所述鉑電阻的制備采用磁控濺射鍍膜法實現，鉑電阻形狀結構由相應的掩模板來實現，規避制備工藝復雜成本較高的光刻等半導體工藝過程，鉑電阻厚度控制在1~10μm。鍍鉑電阻之前，采用磁控濺射先在云母襯底表面鍍1~5nm厚度的鈦或鉻薄膜作為黏附層。

作為優選，所述氧化鋁薄膜載體層通過射頻磁控濺射鍍膜法實現，同樣利用掩模板實現選區鍍膜，鍍膜區域覆蓋整個鉑電阻分布的表面，氧化鋁薄膜厚度控制在5~50μm范圍內。

作為優選，所述鈀納米粒子催化劑采用團簇束流沉積技術制備，鈀納米粒子的粒徑尺寸控制在5~20nm，鈀納米粒子附著并覆蓋在整個氧化鋁薄膜分布的區域表面。

一種催化燃燒式氫氣傳感器的制備方法，所述鉑電阻的制備過程包括以下步驟：