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日本研发最大的氢气传感器

展会前线中国仪表网2006年08月29日 10:13人气:823

日本产业技术综合研究所(产综研)开发出了可集成于半导体芯片的微型热电式氢气传感器。检测范围(空气中氢气的浓度)达到了0.5ppm~5%之间。用于氢气站等设施的泄露检测。今后将向有关机构提供传感器样品,力争将其应用于氢气设施中。
该传感器在热电转换式MEMS元件上形成了以陶瓷支撑材料的铂触媒图案。与过去的传感器相比,更能发挥铂触媒的性能,因而具有良好的灵敏度和耐用性。

因为空气中氢的浓度一旦达4%,就会爆炸,因此氢气泄露检测技术需要氢气传感器能够在ppm级到4%这一最低爆炸极限浓度范围之间进行高精度检测。但是,以前的接触燃烧式和半导体式氢气传感器很难在ppm到百分之几的大范围内进行检测。

例如,接触燃烧式气体传感器依靠检测信号传感器的电阻变化进行检测,因此对高浓度区的检测比较有效,但在低浓度区由于灵敏度低,实际上根本无法检测。具体来说,燃烧发热导致温度变化0.01℃时,电阻变化仅为0.004%,实际上无法检测,因此不能当作传感器使用。

新开发的热电式氢气传感器由热电转换膜及其表面上部分形成的铂触媒膜组成,氢与触媒的发热反应引起的局部温差,利用热电转换膜转换为电压信号。因而,只要使用高性能的热电材料就可得到足以完成检测任务的信号。

新开发的传感器采用的是催化反应和热电转换功能相结合的工作原理,将元件本身产生的电压转换成信号,不仅提高了可检测浓度范围,还不易受到外界温度的影响。采用这种工作原理的氢气传感器在NEDO(新能源产业技术综合开发机构)开展的产业技术研究扶持项目--“采用热电氧化物的新型氢气传感器的开发”中已经开发成功,但要想开发出低成本、高灵敏度的传感器,还需要为传感器元件开发小型化与集成技术,以及微加热器技术。

此次开发主要解决了在半导体晶圆上形成热电薄膜、触媒膜、电极、配线及加热器的传感器元件制造技术。同时,还提高了传感器的耐用性,降低了生产成本。作为热电转换元件的关键技术,确立了利用溅射蒸镀法形成SiGe膜之后进行热处理的薄膜成形技术。因为SiGe热电转换材料的热电特性高,非常适宜采用半导体工艺。为了使触媒不受大气中水蒸汽的影响而稳定地发挥作用,温度要维持在100℃。作为维持触媒温度的加热器集成技术,采用MEMS技術研制出隔热性很高的微加热器。将热电图、微加热器、触媒3个组成要素集成到了尺寸约为1×2mm2的薄膜上,制成了尺寸为4×4mm2的传感器芯片。

在以陶瓷为支撑材料的铂触媒耐用性试验中,将新开发的微型热电式氢气传感器放置在相对温度约为65%的室温环境中,持续工作了3个月,在此期间对它对100ppm,1000ppm和1%氢气浓度的反应特性进行了测试。结果证实,性能十分稳定。此次采用普通半导体工艺,就将微型传感器集成到了硅底板上,因此该公司认为,将来还可集成处理传感器信号的电子线路,因此便于小型化,以及通过量产降低生产成本,实用潜力很大。
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