本發(fā)明涉及傳感器，特別是一種基于硅納米膜的氫氣傳感器。

背景技術(shù)：

1、

2、氫氣在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注和使用過程中均存在泄漏、燃燒和爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn),因此實(shí)現(xiàn)氫氣的快速濃度檢測一直是氫能應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化推廣中亟須解決的問題。

3、隨著微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)的興起，因其具有結(jié)構(gòu)微型化、制造成本低、可陣列化、可批量生產(chǎn)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。mems技術(shù)涵蓋范圍很廣，在醫(yī)療、航空、汽車、微電子、機(jī)械制造和通信等各方面都有著廣泛的應(yīng)用。氫氣傳感器按照原理可以分為催化型、電化學(xué)型、半導(dǎo)體型、光纖型、聲學(xué)型等。各自都有其優(yōu)缺點(diǎn)。壓阻式氫氣傳感器是基于壓阻效應(yīng)制成的，當(dāng)氫敏薄膜對(duì)氫氣實(shí)現(xiàn)吸附時(shí)，質(zhì)量發(fā)生變化，質(zhì)量改變引起懸臂梁發(fā)生彎曲，改變壓敏電阻的阻值，通過檢測阻值變化導(dǎo)致的輸出電壓的值來檢測氫氣濃度的變化。壓阻式氫氣傳感器其工藝簡單，體積小，通過敏感單元受到外力作用，發(fā)生形變，內(nèi)部的電阻阻值發(fā)生改變，此時(shí)所構(gòu)成的電橋就會(huì)因?yàn)椴黄胶舛a(chǎn)生相應(yīng)的輸出，此類的傳感器具有線性度好，測量方便的優(yōu)點(diǎn)，但是此類傳感器具有響應(yīng)速度慢，靈敏度不高等缺點(diǎn)，因此需要去選用新型材料以及設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)的傳感器來解決上述的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中氫氣傳感器響應(yīng)時(shí)間不夠短，靈敏度不夠理想的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，包括：氫敏材料(1)、中心質(zhì)量塊(2)、硅納米膜壓敏電阻(3)、第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)、金屬引線(5)、邊框(6)；所述氫敏材料(1)沉積在中心質(zhì)量塊(2)上，所述中心質(zhì)量塊(2)位于第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)的中間，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)的梁臂上都設(shè)有硅納米膜壓敏電阻(3)，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)上還都設(shè)有金屬引線(5)，金屬引線(5)連接硅納米膜壓敏電阻(3)形成惠斯通電橋，邊框(6)支撐起第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)組合成的懸臂梁結(jié)構(gòu)的四周。

3、在一較佳的實(shí)施例中，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱設(shè)置。

4、在一較佳的實(shí)施例中，中心質(zhì)量塊(2)與所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)形成“萬”字懸臂梁結(jié)構(gòu)。

5、在一較佳的實(shí)施例中，氫氣傳感器通過氫敏材料(1)對(duì)氫氣進(jìn)行吸附時(shí)，中心質(zhì)量塊(2)質(zhì)量發(fā)生改變，帶動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變帶來所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)應(yīng)力的改變，對(duì)應(yīng)的壓敏電阻(3)阻值變化，再通過惠斯通電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電壓值的變化，最后以電信號(hào)輸出，通過電壓信號(hào)的變化檢測出氫氣濃度變化。

6、在一較佳的實(shí)施例中，當(dāng)懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變引起梁上應(yīng)力的改變，對(duì)應(yīng)的壓敏電阻(3)阻值發(fā)生變化，其輸出電壓表示為:其中，v為輸出電壓，vcc為輸入電壓值，梁上各硅納米膜壓敏電阻(3)阻值相等，即r1＝r2＝r3＝r4；當(dāng)梁上壓敏電阻(4)受到同等應(yīng)力時(shí)，此時(shí)梁上各硅納米膜壓敏電阻(3)的阻值變化量相等，即δr1＝δr2＝δr3＝δr4,公式簡化為：

7、在一較佳的實(shí)施例中，中心質(zhì)量塊(2)、第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)、硅納米膜壓敏電阻(3)與邊框采用硅微機(jī)械加工技術(shù)，結(jié)合半導(dǎo)體工藝在晶圓片上實(shí)現(xiàn)制備。

8、在一較佳的實(shí)施例中，在中心質(zhì)量塊(2)上沉積的氫敏材料為納米多孔鈀膜。

9、在一較佳的實(shí)施例中，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)組成“萬”字梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁兩端設(shè)計(jì)應(yīng)力集中區(qū)，即梁根處進(jìn)行局部減薄和局部減窄處理。

10、在一較佳的實(shí)施例中，硅納米膜壓敏電阻(3)采用硅納米膜壓敏電阻，將硅納米膜壓敏電阻刻蝕在懸臂梁的應(yīng)力集中區(qū)域。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

12、本發(fā)明通過采用一種新型硅納米膜結(jié)構(gòu)壓敏電阻，基于巨壓阻效應(yīng)，增大傳感器靈敏度。

13、本發(fā)明改進(jìn)懸臂梁結(jié)構(gòu)，使用“萬”字懸臂梁結(jié)構(gòu)，使得懸臂梁有限的空間內(nèi)具有更長的長度，減少剛度，增加靈敏度。

14、本發(fā)明改進(jìn)懸臂梁結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)懸臂梁的根部進(jìn)行減窄減薄使其具有應(yīng)力集中區(qū)域，提高傳感器靈敏度。

15、本發(fā)明采用納米多孔鈀膜作為氫敏材料，具有更快的響應(yīng)速度。

技術(shù)特征：

1.一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于包括：氫敏材料(1)、中心質(zhì)量塊(2)、硅納米膜壓敏電阻(3)、第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)、金屬引線(5)、邊框(6)；所述氫敏材料(1)沉積在中心質(zhì)量塊(2)上，所述中心質(zhì)量塊(2)位于第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)的中間，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)的梁臂上都設(shè)有硅納米膜壓敏電阻(3)，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)上還都設(shè)有金屬引線(5)，金屬引線(5)連接硅納米膜壓敏電阻(3)形成惠斯通電橋，邊框(6)支撐起第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)組合成的懸臂梁結(jié)構(gòu)的四周。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱設(shè)置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，中心質(zhì)量塊(2)與所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)形成“萬”字懸臂梁結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，氫氣傳感器通過氫敏材料(1)對(duì)氫氣進(jìn)行吸附時(shí)，中心質(zhì)量塊(2)質(zhì)量發(fā)生改變，帶動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變帶來所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)應(yīng)力的改變，對(duì)應(yīng)的硅納米膜壓敏電阻(3)阻值變化，再通過惠斯通電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電壓值的變化，最后以電信號(hào)輸出，通過電壓信號(hào)的變化檢測出氫氣濃度變化。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，當(dāng)懸臂梁結(jié)構(gòu)的形變引起梁上應(yīng)力的改變，對(duì)應(yīng)的硅納米膜壓敏電阻(3)阻值發(fā)生變化，其輸出電壓表示為:其中，v為輸出電壓，vcc為輸入電壓值，梁上各硅納米膜壓敏電阻(3)阻值相等，即r1＝r2＝r3＝r4；當(dāng)梁上硅納米膜壓敏電阻(3)受到同等應(yīng)力時(shí)，此時(shí)梁上各硅納米膜壓敏電阻(3)的阻值變化量相等，即δr1＝δr2＝δr3＝δr4,公式簡化為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，中心質(zhì)量塊(2)、第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)、硅納米膜壓敏電阻(3)與邊框采用硅微機(jī)械加工技術(shù)，結(jié)合半導(dǎo)體工藝在晶圓片上實(shí)現(xiàn)制備。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，在中心質(zhì)量塊(2)上沉積的氫敏材料為納米多孔鈀膜。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，所述第一懸臂梁(41)、第二懸臂梁(42)、第三懸臂梁(43)、第四懸臂梁(44)組成“萬”字梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁兩端設(shè)計(jì)應(yīng)力集中區(qū)，即梁根處進(jìn)行局部減薄和局部減窄處理。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，其特征在于，將硅納米膜壓敏電阻(3)刻蝕在懸臂梁的應(yīng)力集中區(qū)域。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，包括氫敏材料、中心質(zhì)量塊、硅納米膜壓敏電阻、懸臂梁、金屬引線、邊框；所述氫敏材料沉積在中心質(zhì)量塊上，中心質(zhì)量塊位于四個(gè)懸臂梁中間，中心質(zhì)量塊與四個(gè)懸臂梁形成“萬”字懸臂梁結(jié)構(gòu)，四個(gè)懸臂梁的每個(gè)梁臂上都設(shè)有硅納米膜壓敏電阻，每個(gè)懸臂梁上還設(shè)有金屬引線，金屬引線連接壓敏電阻形成惠斯通電橋，邊框支撐起“萬”字懸臂梁結(jié)構(gòu)的四周。本發(fā)明提出一種基于硅納米膜的氫氣傳感器，氫敏材料采用納米多孔鈀膜、壓敏電阻采用硅納米膜壓敏電阻以及對(duì)懸臂梁進(jìn)行局部間窄減薄，利用氫敏材料—“萬”字懸臂梁結(jié)構(gòu)和硅納米膜敏感單元提高了傳感器靈敏度以及響應(yīng)速度。

技術(shù)研發(fā)人員：任子明,楊世杰,張中剛,柴進(jìn),王榮杰,蔣德松
受保護(hù)的技術(shù)使用者：集美大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9