[发明专利]一种催化燃烧式氢气传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种催化燃烧式氢气传感器及其制备方法，所述催化燃烧式氢气传感器包括催化燃烧元件和补偿元件，催化燃烧元件和补偿元件都是以云母片为衬底的平面薄膜结构，并且均在云母片衬底表面上依次附着铂电阻和氧化铝薄膜载体；其中，催化燃烧元件的氧化铝薄膜载体表面还附着钯纳米粒子作为催化剂。本申请的传感器用于检测氢气浓度时，催化燃烧元件加热到氢气氧化的起始温度，在催化剂的协助下氢气无焰燃烧放热使铂电阻阻值增大，以此来检测氢气浓度。本申请的催化燃烧式氢气传感器中，补偿元件基本架构和物理性质与催化燃烧元件一样，只不过少了催化剂钯纳米粒子，氢气在表面不发生燃烧反应，主要用于构成电桥测量电路和实现温度补偿功能。

技术领域

本发明涉及气体传感技术领域，特别涉及一种催化燃烧式氢气传感器及其制备方法。

背景技术

氢气作为能源的一种形式，具有高的燃烧效率，且产物水具有无污染等优点，有潜力替换传统的化石燃料。然而，氢气作为一种易燃易爆气体，在生产、储存和使用过程中存在安全隐患问题，且氢气属于无色、无嗅、无味气体，在发生氢气泄漏时，无法被人的感官系统所发觉。因此，开发具备实际应用价值的氢气传感技术是实现氢能规模化应用的重要安全保障。

氢燃料电池汽车是氢气传感器最大量的应用场景，车载领域对产品性能的稳定性要求非常高。目前，催化燃烧式氢气传感器由于具有补偿功能，能最大程度消除传感器基线漂移，是最合适车载的氢气传感技术。然而，传统催化燃烧式氢气传感器采用灯丝结构，长期工作于车载振动的复杂工况下，容易发生灯丝断裂而导致器件失效，这限制了其在车载领域的应用。针对这一问题，MEMS平面结构催化燃烧传感器应运而生。MEMS催化燃烧式氢气传感器是通过半导体微纳加工技术在极薄的硅氧化层表面构筑催化燃烧敏感元件，衬底的支撑作用避免了灯丝结构易损的结构缺陷，但是MEMS催化燃烧传感器其制作工艺复杂，成本较高。如何利用简单的工艺，低成本实现平面结构催化燃烧式氢气传感功能仍然是一项富有挑战性的任务。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种催化燃烧式氢气传感器及其制备方法，实现低成本制造基于平面结构的催化燃烧式氢气传感器的目的。本发明的催化燃烧式氢气传感器中，铂电阻采用平面结构，回避了传统灯丝结构的易断性，同时采用云母片为该平面结构的衬底，利用磁控溅射结合掩模制备铂电阻，回避了传统MEMS催化燃烧器件的复杂制备工艺与高成本制备过程。

所述的一种催化燃烧式氢气传感器，其特征在于：包括催化燃烧元件和补偿元件，所述催化燃烧元件和补偿元件都是以云母片为衬底的平面薄膜结构，通过测量催化燃烧元件的电阻变化反应出外界氢气浓度。所述催化燃烧元件包含平面式铂电阻、氧化铝薄膜载体层和钯纳米粒子催化剂；补偿元件结构和催化燃烧元件一样具有铂电阻和氧化铝薄膜载体层，所不同的是没有钯纳米粒子催化剂。

进一步地，催化燃烧元件和补偿元件可以是同一张云母片衬底，也可以各自位于独立的云母片衬底。

作为优选，选择厚度为10~100μm的云母片作为器件衬底。云母片作为重要的支撑结构承载整个传感器的铂电阻平面结构，能有效回避传统灯丝结构在振动工况下的断裂问题。

作为优选，所述铂电阻的制备采用磁控溅射镀膜法实现，铂电阻形状结构由相应的掩模板来实现，规避制备工艺复杂成本较高的光刻等半导体工艺过程，铂电阻厚度控制在1~10μm。镀铂电阻之前，采用磁控溅射先在云母衬底表面镀1~5nm厚度的钛或铬薄膜作为黏附层。

作为优选，所述氧化铝薄膜载体层通过射频磁控溅射镀膜法实现，同样利用掩模板实现选区镀膜，镀膜区域覆盖整个铂电阻分布的表面，氧化铝薄膜厚度控制在5~50μm范围内。

作为优选，所述钯纳米粒子催化剂采用团簇束流沉积技术制备，钯纳米粒子的粒径尺寸控制在5~20nm，钯纳米粒子附着并覆盖在整个氧化铝薄膜分布的区域表面。

一种催化燃烧式氢气传感器的制备方法，所述铂电阻的制备过程包括以下步骤：