一種差分電容式氫氣傳感器的製造方法
2023-04-26 09:27:36
一種差分電容式氫氣傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種差分電容式氫氣傳感器包括襯底、固定梳齒電極、活動梳齒電極、第一摺疊式彈簧、第二摺疊式彈簧和氫氣敏感應變層；第一摺疊式彈簧的一端與活動梳齒電極的上端連接，另一端固定在襯底上；第二摺疊式彈簧的一端與活動梳齒電極的下端連接，另一端固定在襯底上；三者組成懸臂梁結構，懸置在襯底的上方；固定梳齒電極和活動梳齒電極相互交錯形成差分式電容；氫氣敏感應變層設置在第一或第二摺疊式彈簧內，使氫氣敏感應變層在吸收氫氣膨脹後，能夠帶動懸臂梁結構移動，改變活動梳齒電極和固定梳齒電極的間距。本發明實施例技術方案克服傳統氫氣傳感器的工作溫度高，使用壽命短等不足。
【專利說明】一種差分電容式氫氣傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及氫氣傳感器【技術領域】，尤其涉及一種差分電容式氫氣傳感器。
【背景技術】
[0002]氫氣作為一種無汙染的清潔的二次能源之一，在全世界範圍內備受關注。但是氫氣的分子量很小，在生產、使用和運輸過程中極易發生洩漏，而且氫氣的爆炸極限為4.0?74.2%，因而對對空氣和特定環境中的氫氣含量進行快速、準確的原位測量，具有廣闊的應用前景。現有的氫氣傳感器包括半導體型、熱電型、光學型等。半導體型和熱電型的工作溫度往往很高，既耗能，在實際應用中也會帶來安全隱患。光學型氫氣傳感器利用鈀吸收氫氣之後由α相轉換為β相，其光學性質發生變化來測量，無需加熱，相比半導體型更加安全。不過到目前為止，光學型氫氣傳感器還存在一些缺點，如在經多次循環後鈀層易出現脫層、起泡，因而使用壽命較短，而且其測量往往依賴複雜的光學設備，製作成本很高。根據鈀等貴金屬吸附氫氣物理特性改變的機理，近些年還提出基於表面體聲波的氫氣傳感器，如專利聲表面波微氫氣傳感器及其製備工藝(申請號:200710025221.4)中的氫氣傳感器由鈀銀合金薄膜和二氧化錫薄膜構成，二氧化錫薄膜依附於壓電基底上，鈀銀合金薄膜依附於二氧化錫薄膜上面，從而構成雙層敏感薄膜，其工作溫度也為常溫，但是其缺點與光學型一樣，壽命較短。
【發明內容】
[0003]針對現有技術中氫氣傳感器的缺陷，本發明實施例提出一種差分電容式氫氣傳感器，克服傳統氫氣傳感器的工作溫度高，使用壽命短等不足。
[0004]本發明實施例提供一種差分電容式氫氣傳感器，包括襯底、固定梳齒電極、活動梳齒電極、第一摺疊式彈簧、第二摺疊式彈簧和氫氣敏感應變層；所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的上端連接，在伸縮方向上的另一端固定在所述襯底上；所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的下端連接，在伸縮方向上的另一端固定在所述襯底上；所述第一摺疊式彈簧、所述第二摺疊式彈簧和所述活動梳齒電極組成懸臂梁結構，懸置在所述襯底的上方；所述固定梳齒電極固定在所述襯底上，且所述固定梳齒電極和活動梳齒電極相互交錯形成差分式電容；所述氫氣敏感應變層設置在所述第一摺疊式彈簧或所述第二摺疊式彈簧內，使所述氫氣敏感應變層在吸收氫氣膨脹後，能夠帶動所述第一摺疊式彈簧、所述第二摺疊式彈簧和所述活動梳齒電極移動，改變所述活動梳齒電極和所述固定梳齒電極的間距；所述氫氣敏感應變層包括:鈀或鈀合金感氫層；所述第一摺疊式彈簧、第二摺疊式彈簧和固定梳齒電極上設置有用於測量所述差分式電容的電容值的金屬電極。
[0005]進一步的,所述活動梳齒電極包括連接軸、第一活動電極單元和第二活動電極單元；所述第一活動電極單元包括多個的梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;所述第二活動電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X;其中，X > O;所述第一活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在所述連接軸的左側，且垂直於所述連接軸；所述第二活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在所述連接軸的右側，且垂直於所述連接軸；所述第一活動電極單元中的各梳齒電極和所述第二活動電極單元中的各梳齒電極相互錯開排列，所錯開的間距為Y ;Y < X。
[0006]進一步的，所述固定梳齒電極包括:第一固定電極單元和第二固定電極單元；所述第一固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;所述第二固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;所述第一固定電極單元中的梳齒電極與所述第一活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第一電容；所述第二固定電極單元中的梳齒電極與所述第二活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第二電容；所述第一固定梳齒電極單元中的梳齒電極和所述第二固定梳齒單元中的梳齒電極關於所述連接軸對稱，使第一電容和第二電容組成所述差分式電容。
[0007]進一步的，所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的上端連接，具體為:所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述連接軸的上端連接；所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的下端連接，具體為:所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述連接軸的下端連接。
[0008]進一步的，所述固定梳齒電極通過壓焊條固定在所述襯底上，所述壓焊條還用於連接所述固定梳齒電極中的各個梳齒電極。
[0009]進一步的，所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的另一端和所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的另一端分別通過錨點固定在所述襯底上。
[0010]進一步的，所述氫氣敏感應變層設置在所述第一摺疊式彈簧或第二摺疊式彈簧內，具體為:所述第一摺疊式彈簧或第二摺疊式彈簧內設置有突出邊框，所述氫氣敏感應變層安裝在所述突出邊框內。
[0011]進一步的，所述固定梳齒電極和所述活動梳齒電極均為N型參雜矽梳齒電極；所述第一摺疊式彈簧和所述第二摺疊式彈簧均為N型參雜矽彈簧。
[0012]進一步的，所述襯底為玻璃、石英或單面氧化矽片襯底。
[0013]進一步的，所述金屬電極為鋁或金電極。
[0014]由上可見，本發明實施例提供的差分電容式氫氣傳感器，固定梳齒電極和活動梳齒電極相互交錯形成差分電容，活動梳齒電極的上端和下端分別設置有第一摺疊式彈簧和第二摺疊式彈簧，三者組成一個懸臂梁結構。當設置在第一或第二摺疊式彈簧中的氫氣敏感應變層吸收氫氣而體積膨脹時，摺疊式彈簧會在彈簧伸縮方向上推動活動梳齒電極，使固定梳齒電極與活動梳齒電極之間的間距發生改變，從而產生差分電容，再根據差分電容計算出對應的氫氣濃度。與現有技術中的三種電容傳感器相比，本實施例技術方案無需加熱，其氫氣敏感應變層採用塊體的鈀或者其合金，避免了採用鈀膜的解決方案多次循環之後起泡或者脫落的缺陷。而且採用MEMS技術製作，還具有體積小，響應快，成本低，易於集成和大規模生產等優點。
[0015]進一步的，活動梳齒電極包括第一活動電極單元和第二活動電極單元，固定梳齒電極包括第一固定電極單元和第二固定電極單元，第一活動電極單元和第一固定電極單元相互交錯組成第一電容，第二活動電極單元和第二固定電極單元相互交錯組成第二電容。在氫氣敏感應變層受到氫氣濃度而改變體積時，如體積膨脹使活動梳齒電極向上移動，由於第一活動電極單元和第二活動電極單元存在錯開的間距Y，使得第一電容減小，第二電容增大，從而產生差分電容。再通過差分電容的電容值而計算得出氫氣濃度值，進一步提高測量的準確度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明提供的一種差分電容式氫氣傳感器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0018]參見圖1，是本發明提供的差分電容式氫氣傳感器的結構示意圖，該差分電容式氫氣傳感器包括由襯底10、固定梳齒電極2和活動梳齒電極1、第一摺疊式彈簧31、第二摺疊式彈簧32、氫氣敏感應變層4、電極引線9以及金屬電極5和8。
[0019]其中，第一摺疊式彈簧31在伸縮方向上的一端與活動梳齒電極I的上端連接，在伸縮方向上的另一端固定在襯底10上；第二摺疊式彈簧21在伸縮方向上的一端與活動梳齒電極I的下端連接，在伸縮方向上的另一端固定在襯底上10 ;第一摺疊式彈簧31、第二摺疊式彈簧32和活動梳齒電極I組成懸臂梁結構，懸置在襯底10的上方。固定梳齒電極2固定在所述襯底上，且固定梳齒電極2和活動梳齒電極I相互交錯形成差分式電容。氫氣敏感應變層4設置在第一摺疊式彈簧31或所述第二摺疊式彈簧32內，使氫氣敏感應變層4在吸溼膨脹後，能夠帶動第一摺疊式彈簧31、第二摺疊式彈簧32和活動梳齒電極I移動，改變活動梳齒電極I和固定梳齒電極2的間距。第一摺疊式彈簧31、第二摺疊式彈簧32和固定梳齒電極2上設置有用於測量所述差分式電容的電容值的金屬電極5和8。
[0020]在本實施例中，氫氣敏感層4設置在第二摺疊式彈簧32內，氫氣敏感層4可以但不限於為鈀或鈀合金感氫層。
[0021]在本實施例中，活動梳齒電極I包括連接軸、第一活動電極單元和第二活動電極單元；第一活動電極單元包括多個的梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;第二活動電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;其中，X > O。如圖1所示，第一活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在連接軸的左側，且垂直於連接軸。第二活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在連接軸的右側，且垂直於連接軸；第一活動電極單元中的各梳齒電極和第二活動電極單元中的各梳齒電極相互錯開排列，所錯開的間距為Y ;且Y< X。
[0022]在本實施例中，固定梳齒電極2包括:第一固定電極單元和第二固定電極單元；第一固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X。第二固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X。第一固定電極單元中的梳齒電極與第一活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第一電容(如圖1所示的左側電容)。第二固定電極單元中的梳齒電極與所述第二活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第二電容(如圖1所示的右側電容)。第一固定梳齒電極單元中的梳齒電極和第二固定梳齒單元中的梳齒電極關於連接軸對稱，使第一電容和第二電容組成所述差分式電容。
[0023]在本實施例中，由於第一活動梳齒單元的各梳齒電極和第二活動電極單元中的各梳齒電極相互錯開排列，如圖1所示，左側的各活動梳齒電極與其下面的各固定梳齒電極的間距較小，記為A ;與其上面的固定梳齒電極的間距較大記為B。B可以但不限於等於2A至5A間的任一數值。右側的各活動梳齒電極與其下面的各固定梳齒電極的間距較大，記為C ;與其上面的固定梳齒電極的間距較小記為D。C可以但不限於等於2D至間的任一數值。第一電容的電容值取決於A的大小，第二電容的電容值取決於D的大小。當氫氣敏感應變層4吸溼膨脹，帶動第一摺疊式彈簧31、活動梳齒電極I和第二摺疊式彈簧32向上移動時，A增大，D減少，使得第一電容減少，第二電容增大，從而產生差分電容。
[0024]在本實施例中，第一摺疊式彈簧31在伸縮方向上的一端與活動梳齒電極I的上端連接，具體為:第一摺疊式彈簧31在伸縮方向上的一端與連接軸的上端連接。第二摺疊式彈簧32在伸縮方向上的一端與活動梳齒電極I的下端連接，具體為:第二摺疊式彈簧32在伸縮方向上的一端與連接軸的下端連接。
[0025]在本實施例中，第一摺疊式彈簧31在伸縮方向上的另一端和第二摺疊式彈簧32在伸縮方向上的另一端分別通過錨點7固定在襯底10上。
[0026]在本實施例中，在固定梳齒電極2和襯底10的固定處設置有壓焊條6，以連接固定梳齒電極2中的各個梳齒電極。
[0027]在本實施例中，第一摺疊式彈簧31或第二摺疊式彈簧32內設置有突出邊框，氫氣敏感應變層4安裝在突出邊框內。
[0028]在本實施例中，金屬電極5和8通過電極引線9分別與固定梳齒2、第一摺疊式彈簧31和第二摺疊式彈簧32連接。該金屬電極可接外部電路用於測量差分式電容的電容值，從而計算出相應的氫氣濃度。該電容值的測量方法為現有技術，在此不再贅述。
[0029]在本實施例中，如圖1所示的電極引線9和金屬電極5和8的布局是為了平衡電感，可以但不限於採用其他的連接方式。
[0030]在本實施例中，固定梳齒2和活動梳齒I均為N型參雜矽梳齒。第一摺疊式彈簧31和第二摺疊式彈簧32均為N型參雜矽彈簧。
[0031]在本實施例中，襯底10為玻璃、石英或單面氧化矽片襯底。
[0032]在本實施例中，金屬電極均為鋁或金電極；電極引線為鋁或金引線。
[0033]由上可見，本發明實施例提供的差分電容式氫氣傳感器，固定梳齒電極2和活動梳齒電極I相互交錯形成差分電容，活動梳齒電極I的上端和下端分別設置有第一摺疊式彈簧31和第二摺疊式彈簧32，三者組成一個懸臂梁結構。當設置在第一或第二摺疊式彈簧中的氫氣敏感應變層4吸收氫氣而體積膨脹時，摺疊式彈簧會在彈簧伸縮方向上移動活動梳齒電極1，使固定梳齒電極2與活動梳齒電極I之間的間距發生改變，從而產生差分電容，再根據差分電容計算出對應的氫氣濃度。與現有技術中的三種電容傳感器相比，本實施例技術方案無需加熱，其氫氣敏感應變層採用塊體的鈀或者其合金，避免了採用鈀膜解決方案(多次循環之後起泡或者脫落)的缺陷。而且採用MEMS技術製作，還具有體積小，響應快，成本低，易於集成和大規模生產等優點。
[0034]進一步的，活動梳齒電極I包括第一活動電極單元和第二活動電極單元，固定梳齒電極2包括第一固定電極單元和第二固定電極單元，第一活動電極單元和第一固定電極單元相互交錯組成第一電容，第二活動電極單元和第二固定電極單元相互交錯組成第二電容。在氫氣敏感應變層4受到氫氣濃度而改變體積時，如膨脹使活動梳齒電極向上移動，由於第一活動電極單元和第二活動電極單元存在錯開的間距Y，使得第一電容減小，第二電容增大，從而產生差分電容。再通過差分電容的電容值而計算得出氫氣濃度，進一步提高測量的準確度。
[0035]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種差分電容式氫氣傳感器，其特徵在於，包括襯底、固定梳齒電極、活動梳齒電極、第一摺疊式彈簧、第二摺疊式彈簧和氫氣敏感應變層； 所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的上端連接，在伸縮方向上的另一端固定在所述襯底上；所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的下端連接，在伸縮方向上的另一端固定在所述襯底上；所述第一摺疊式彈簧、所述第二摺疊式彈簧和所述活動梳齒電極組成懸臂梁結構，懸置在所述襯底的上方； 所述固定梳齒電極固定在所述襯底上，且所述固定梳齒電極和活動梳齒電極相互交錯形成差分式電容； 所述氫氣敏感應變層設置在所述第一摺疊式彈簧或所述第二摺疊式彈簧內，使所述氫氣應變層在吸收氫氣膨脹後，能夠帶動所述第一摺疊式彈簧、所述第二摺疊式彈簧和所述活動梳齒電極移動，改變所述活動梳齒電極和所述固定梳齒電極的間距； 所述氫氣敏感應變層包括:鈀或鈀合金感氫層； 所述第一摺疊式彈簧、第二摺疊式彈簧和固定梳齒電極上設置有用於測量所述差分式電容的電容值的金屬電極。
2.根據權利要求1所述的差分電容式氫氣傳感器，其特徵在於， 所述活動梳齒電極包括連接軸、第一活動電極單元和第二活動電極單元；所述第一活動電極單元包括多個的梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;所述第二活動電極單元包括多個梳齒電極，相 鄰梳齒電極之間的間距均為X ;其中，X > O ; 所述第一活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在所述連接軸的左側，且垂直於所述連接軸；所述第二活動電極單元中的各梳齒電極分別連接在所述連接軸的右側，且垂直於所述連接軸；所述第一活動電極單元中的各梳齒電極和所述第二活動電極單元中的各梳齒電極相互錯開排列，所錯開的間距為Y ;Y < X。
3.根據權利要求2所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述固定梳齒電極包括:第一固定電極單元和第二固定電極單元；所述第一固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ;所述第二固定電極單元包括多個梳齒電極，相鄰梳齒電極之間的間距均為X ； 所述第一固定電極單元中的梳齒電極與所述第一活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第一電容； 所述第二固定電極單元中的梳齒電極與所述第二活動電極單元中的梳齒電極相互交錯形成第二電容； 所述第一固定梳齒電極單元中的梳齒電極和所述第二固定梳齒單元中的梳齒電極關於所述連接軸對稱，使第一電容和第二電容組成所述差分式電容。
4.根據權利要求2所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的上端連接，具體為:所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述連接軸的上端連接； 所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述活動梳齒電極的下端連接，具體為:所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的一端與所述連接軸的下端連接。
5.根據權利要求3所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述固定梳齒電極通過壓焊條固定在所述襯底上，所述壓焊條還用於連接所述固定梳齒電極中的各個梳齒電極。
6.根據權利要求1所述的差分電容式氫氣傳感器，其特徵在於， 所述第一摺疊式彈簧在伸縮方向上的另一端和所述第二摺疊式彈簧在伸縮方向上的另一端分別通過錨點固定在所述襯底上。
7.根據權利要求1值6任一所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述氫氣敏感應變層設置在所述第一摺疊式彈簧或第二摺疊式彈簧內，具體為: 所述第一摺疊式彈簧或第二摺疊式彈簧內設置有突出邊框，所述氫氣敏感應變層安裝在所述突出邊框內。
8.根據權利要求1至6任一所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述固定梳齒電極和所述活動梳齒電極均為N型參雜矽梳齒電極； 所述第一摺疊式彈簧和所述第二摺疊式彈簧均為N型參雜矽彈簧。
9.根據權利要求1至6任一所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述襯底為玻璃、石英或單面氧化矽片襯底。
10.根據權利要求1至6任一所述的差分電容式氫氣傳感器,其特徵在於， 所述金屬電極為鋁或金電極。
【文檔編號】G01N27/22GK103792268SQ201410056439
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】沈方平, 張珽, 祁明鋒, 劉瑞, 丁海燕 申請人:蘇州能斯達電子科技有限公司