日本產(chǎn)綜研開發(fā)出微型熱電式氫氣傳感器
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（產(chǎn)綜研）開發(fā)出了可集成于半導(dǎo)體芯片的微型熱電式氫氣傳感器。檢測(cè)范圍（空氣中氫氣的濃度）達(dá)到了0.5ppm～5%之間。用于氫氣站等設(shè)施的泄露檢測(cè)。今后將向有關(guān)機(jī)構(gòu)提供傳感器樣品，力爭(zhēng)將其應(yīng)用于氫氣設(shè)施中。
該傳感器在熱電轉(zhuǎn)換式MEMS元件上形成了以陶瓷支撐材料的鉑觸媒圖案。與過(guò)去的傳感器相比，更能發(fā)揮鉑觸媒的性能，因而具有良好的靈敏度和耐用性。
因?yàn)榭諝庵袣涞臐舛纫坏┻_(dá)4%，就會(huì)爆炸，因此氫氣泄露檢測(cè)技術(shù)需要?dú)錃鈧鞲衅髂軌蛟趐pm級(jí)到4%這一最低爆炸極限濃度范圍之間進(jìn)行高精度檢測(cè)。但是，以前的接觸燃燒式和半導(dǎo)體式氫氣傳感器很難在ppm到百分之幾的大范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。
例如，接觸燃燒式氣體傳感器依靠檢測(cè)信號(hào)傳感器的電阻變化進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)高濃度區(qū)的檢測(cè)比較有效，但在低濃度區(qū)由于靈敏度低，實(shí)際上根本無(wú)法檢測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，燃燒發(fā)熱導(dǎo)致溫度變化0.01℃時(shí)，電阻變化僅為0.004%，實(shí)際上無(wú)法檢測(cè)，因此不能當(dāng)作傳感器使用。
新開發(fā)的熱電式氫氣傳感器由熱電轉(zhuǎn)換膜及其表面上部分形成的鉑觸媒膜組成，氫與觸媒的發(fā)熱反應(yīng)引起的局部溫差，利用熱電轉(zhuǎn)換膜轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。因而，只要使用高性能的熱電材料就可得到足以完成檢測(cè)任務(wù)的信號(hào)。
新開發(fā)的傳感器采用的是催化反應(yīng)和熱電轉(zhuǎn)換功能相結(jié)合的工作原理，將元件本身產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成信號(hào)，不僅提高了可檢測(cè)濃度范圍，還不易受到外界溫度的影響。采用這種工作原理的氫氣傳感器在NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）開展的產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究扶持項(xiàng)目--“采用熱電氧化物的新型氫氣傳感器的開發(fā)”中已經(jīng)開發(fā)成功，但要想開發(fā)出低成本、高靈敏度的傳感器，還需要為傳感器元件開發(fā)小型化與集成技術(shù)，以及微加熱器技術(shù)。
此次開發(fā)主要解決了在半導(dǎo)體晶圓上形成熱電薄膜、觸媒膜、電極、配線及加熱器的傳感器元件制造技術(shù)。同時(shí)，還提高了傳感器的耐用性，降低了生產(chǎn)成本。作為熱電轉(zhuǎn)換元件的關(guān)鍵技術(shù)，確立了利用濺射蒸鍍法形成SiGe膜之后進(jìn)行熱處理的薄膜成形技術(shù)。因?yàn)镾iGe熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電特性高，非常適宜采用半導(dǎo)體工藝。為了使觸媒不受大氣中水蒸汽的影響而穩(wěn)定地發(fā)揮作用，溫度要維持在100℃。作為維持觸媒溫度的加熱器集成技術(shù)，采用MEMS技術(shù)研制出隔熱性很高的微加熱器。將熱電圖、微加熱器、觸媒3個(gè)組成要素集成到了尺寸約為1×2mm2的薄膜上，制成了尺寸為4×4mm2的傳感器芯片。
在以陶瓷為支撐材料的鉑觸媒耐用性試驗(yàn)中，將新開發(fā)的微型熱電式氫氣傳感器放置在相對(duì)溫度約為65%的室溫環(huán)境中，持續(xù)工作了3個(gè)月，在此期間對(duì)它對(duì)100ppm，1000ppm和1%氫氣濃度的反應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果證實(shí)，性能十分穩(wěn)定。此次采用普通半導(dǎo)體工藝，就將微型傳感器集成到了硅底板上，因此該公司認(rèn)為，將來(lái)還可集成處理傳感器信號(hào)的電子線路，因此便于小型化，以及通過(guò)量產(chǎn)降低生產(chǎn)成本，實(shí)用潛力很大。
該傳感器在熱電轉(zhuǎn)換式MEMS元件上形成了以陶瓷支撐材料的鉑觸媒圖案。與過(guò)去的傳感器相比，更能發(fā)揮鉑觸媒的性能，因而具有良好的靈敏度和耐用性。
因?yàn)榭諝庵袣涞臐舛纫坏┻_(dá)4%，就會(huì)爆炸，因此氫氣泄露檢測(cè)技術(shù)需要?dú)錃鈧鞲衅髂軌蛟趐pm級(jí)到4%這一最低爆炸極限濃度范圍之間進(jìn)行高精度檢測(cè)。但是，以前的接觸燃燒式和半導(dǎo)體式氫氣傳感器很難在ppm到百分之幾的大范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。
例如，接觸燃燒式氣體傳感器依靠檢測(cè)信號(hào)傳感器的電阻變化進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)高濃度區(qū)的檢測(cè)比較有效，但在低濃度區(qū)由于靈敏度低，實(shí)際上根本無(wú)法檢測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，燃燒發(fā)熱導(dǎo)致溫度變化0.01℃時(shí)，電阻變化僅為0.004%，實(shí)際上無(wú)法檢測(cè)，因此不能當(dāng)作傳感器使用。
新開發(fā)的熱電式氫氣傳感器由熱電轉(zhuǎn)換膜及其表面上部分形成的鉑觸媒膜組成，氫與觸媒的發(fā)熱反應(yīng)引起的局部溫差，利用熱電轉(zhuǎn)換膜轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。因而，只要使用高性能的熱電材料就可得到足以完成檢測(cè)任務(wù)的信號(hào)。
新開發(fā)的傳感器采用的是催化反應(yīng)和熱電轉(zhuǎn)換功能相結(jié)合的工作原理，將元件本身產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成信號(hào)，不僅提高了可檢測(cè)濃度范圍，還不易受到外界溫度的影響。采用這種工作原理的氫氣傳感器在NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）開展的產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究扶持項(xiàng)目--“采用熱電氧化物的新型氫氣傳感器的開發(fā)”中已經(jīng)開發(fā)成功，但要想開發(fā)出低成本、高靈敏度的傳感器，還需要為傳感器元件開發(fā)小型化與集成技術(shù)，以及微加熱器技術(shù)。
此次開發(fā)主要解決了在半導(dǎo)體晶圓上形成熱電薄膜、觸媒膜、電極、配線及加熱器的傳感器元件制造技術(shù)。同時(shí)，還提高了傳感器的耐用性，降低了生產(chǎn)成本。作為熱電轉(zhuǎn)換元件的關(guān)鍵技術(shù)，確立了利用濺射蒸鍍法形成SiGe膜之后進(jìn)行熱處理的薄膜成形技術(shù)。因?yàn)镾iGe熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電特性高，非常適宜采用半導(dǎo)體工藝。為了使觸媒不受大氣中水蒸汽的影響而穩(wěn)定地發(fā)揮作用，溫度要維持在100℃。作為維持觸媒溫度的加熱器集成技術(shù)，采用MEMS技術(shù)研制出隔熱性很高的微加熱器。將熱電圖、微加熱器、觸媒3個(gè)組成要素集成到了尺寸約為1×2mm2的薄膜上，制成了尺寸為4×4mm2的傳感器芯片。
在以陶瓷為支撐材料的鉑觸媒耐用性試驗(yàn)中，將新開發(fā)的微型熱電式氫氣傳感器放置在相對(duì)溫度約為65%的室溫環(huán)境中，持續(xù)工作了3個(gè)月，在此期間對(duì)它對(duì)100ppm，1000ppm和1%氫氣濃度的反應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果證實(shí)，性能十分穩(wěn)定。此次采用普通半導(dǎo)體工藝，就將微型傳感器集成到了硅底板上，因此該公司認(rèn)為，將來(lái)還可集成處理傳感器信號(hào)的電子線路，因此便于小型化，以及通過(guò)量產(chǎn)降低生產(chǎn)成本，實(shí)用潛力很大。
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢