[发明专利]一种差分电容式氢气传感器

说明书

技术领域

本发明涉及氢气传感器技术领域，尤其涉及一种差分电容式氢气传感器。

背景技术

氢气作为一种无污染的清洁的二次能源之一，在全世界范围内备受关注。但是氢气的分子量很小，在生产、使用和运输过程中极易发生泄漏，而且氢气的爆炸极限为4.0～74.2%，因而对对空气和特定环境中的氢气含量进行快速、准确的原位测量,具有广阔的应用前景。现有的氢气传感器包括半导体型、热电型、光学型等。半导体型和热电型的工作温度往往很高，既耗能，在实际应用中也会带来安全隐患。光学型氢气传感器利用钯吸收氢气之后由α相转换为β相，其光学性质发生变化来测量，无需加热，相比半导体型更加安全。不过到目前为止,光学型氢气传感器还存在一些缺点,如在经多次循环后钯层易出现脱层、起泡,因而使用寿命较短，而且其测量往往依赖复杂的光学设备，制作成本很高。根据钯等贵金属吸附氢气物理特性改变的机理，近些年还提出基于表面体声波的氢气传感器，如专利声表面波微氢气传感器及其制备工艺（申请号：200710025221.4）中的氢气传感器由钯银合金薄膜和二氧化锡薄膜构成,二氧化锡薄膜依附于压电基底上,钯银合金薄膜依附于二氧化锡薄膜上面,从而构成双层敏感薄膜，其工作温度也为常温，但是其缺点与光学型一样，寿命较短。

发明内容

针对现有技术中氢气传感器的缺陷，本发明实施例提出一种差分电容式氢气传感器，克服传统氢气传感器的工作温度高，使用寿命短等不足。

本发明实施例提供一种差分电容式氢气传感器，包括衬底、固定梳齿电极、活动梳齿电极、第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和氢气敏感应变层；所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，在伸缩方向上的另一端固定在所述衬底上；所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极组成悬臂梁结构，悬置在所述衬底的上方；所述固定梳齿电极固定在所述衬底上，且所述固定梳齿电极和活动梳齿电极相互交错形成差分式电容；所述氢气敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或所述第二折叠式弹簧内，使所述氢气敏感应变层在吸收氢气膨胀后，能够带动所述第一折叠式弹簧、所述第二折叠式弹簧和所述活动梳齿电极移动，改变所述活动梳齿电极和所述固定梳齿电极的间距；所述氢气敏感应变层包括：钯或钯合金感氢层；所述第一折叠式弹簧、第二折叠式弹簧和固定梳齿电极上设置有用于测量所述差分式电容的电容值的金属电极。

进一步的，所述活动梳齿电极包括连接轴、第一活动电极单元和第二活动电极单元；所述第一活动电极单元包括多个的梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二活动电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；其中，X＞0；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的左侧，且垂直于所述连接轴；所述第二活动电极单元中的各梳齿电极分别连接在所述连接轴的右侧，且垂直于所述连接轴；所述第一活动电极单元中的各梳齿电极和所述第二活动电极单元中的各梳齿电极相互错开排列，所错开的间距为Y；Y＜X。

进一步的，所述固定梳齿电极包括：第一固定电极单元和第二固定电极单元；所述第一固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第二固定电极单元包括多个梳齿电极，相邻梳齿电极之间的间距均为X；所述第一固定电极单元中的梳齿电极与所述第一活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第一电容；所述第二固定电极单元中的梳齿电极与所述第二活动电极单元中的梳齿电极相互交错形成第二电容；所述第一固定梳齿电极单元中的梳齿电极和所述第二固定梳齿单元中的梳齿电极关于所述连接轴对称，使第一电容和第二电容组成所述差分式电容。

进一步的，所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的上端连接，具体为：所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述连接轴的上端连接；所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述活动梳齿电极的下端连接，具体为：所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的一端与所述连接轴的下端连接。

进一步的，所述固定梳齿电极通过压焊条固定在所述衬底上，所述压焊条还用于连接所述固定梳齿电极中的各个梳齿电极。

进一步的，所述第一折叠式弹簧在伸缩方向上的另一端和所述第二折叠式弹簧在伸缩方向上的另一端分别通过锚点固定在所述衬底上。

进一步的，所述氢气敏感应变层设置在所述第一折叠式弹簧或第二折叠式弹簧内，具体为：所述第一折叠式弹簧或第二折叠式弹簧内设置有突出边框，所述氢气敏感应变层安装在所述突出边框内。