CN112763660B - 一种钯薄膜氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钯薄膜氢气传感器，包括硅衬底、绝缘层、至少一个硅槽、钯合金薄膜组件、屏蔽层与控温组件；其中，钯合金薄膜组件包括对称设置的第一钯合金薄膜与第二钯合金薄膜；屏蔽层位于绝缘层上，并且还开设吸收窗口，吸收窗口与第一钯合金薄膜对应设置，用于供第一钯合金薄膜与氢气接触；控温组件包括加热线圈与测温线圈，测温线圈用于检测钯合金薄膜组件周围的温度，加热线圈用于升高钯合金薄膜组件周围的温度；硅槽与绝缘层相配合用于对钯合金薄膜组件保温。本发明采用对氢气敏感度高的钯合金，同时引入惠斯通电桥，大大提升了检测精度；其特殊的立体结构极大地提升了热响应速度，保温效果好，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及氢气传感器技术领域，尤其涉及一种钯薄膜氢气传感器。
背景技术
在特高压线路的建设中，充油式电压互感套管和电流互感套管广泛应用于变压器和线路的连接处。充油式电压互感套管和电流互感套管在工作时，由于电网负载的动态变化，温度会在3～5min之内迅速提升，从而导致绝缘介质——绝缘器油裂解产生一些特征气体。如果套管内绝缘油的含气量过高，尤其是氢含量超标，将加速绝缘油老化，使得绝缘材料使用寿命减半，起不到很好的散热与冷却的效果；故及早发现套管内部是否有局部放电对安全至关重要，如有局部放电则会引起绝缘破坏，甚至造成事故。
目前，电网中对氢气的测量主要采用在取油口抽取绝缘油，带回分析的方法来判定绝缘油的质量好坏；但取油法耗时耗力，无法对套管的状态进行连续测量，而且，多次取油会造成绝缘油减少，因此后续需要对套管进行补充油的处理；而套管所处的位置结构支撑弱，无法采用色谱法原理的设备进行现场测量。
现有技术中，可以采用氢气传感器来解决无法连续检测的问题，但是氢气传感器需要工作在一定的温度下，面对类似于上述温度在3～5min之内迅速提升的场景时，氢气传感器对迅速变化的环境温度的响应是存在延迟的，这就导致氢气传感器检测出的氢气浓度与当时的环境温度并不对应，而是基于前一时刻的环境温度所监测出的氢气浓度，从而造成氢气传感器对氢气浓度的探测不准确。
因此，需要一种钯薄膜氢气传感器，热响应速度快，对氢气的检测精度与灵敏度高。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钯薄膜氢气传感器，热响应速度快，对氢气的检测精度与灵敏度高。
本发明提供的一种钯薄膜氢气传感器，包括硅衬底、位于所述硅衬底上的绝缘层、位于所述绝缘层下方的至少一个硅槽、位于所述绝缘层上的钯合金薄膜组件、屏蔽层与设置于所述钯合金薄膜组件***的控温组件；
所述钯合金薄膜组件包括第一钯合金薄膜与第二钯合金薄膜，所述第一钯合金薄膜与所述第二钯合金薄膜对称设置；
所述屏蔽层位于所述绝缘层上，并且所述屏蔽层覆盖所述第二钯合金薄膜与所述控温组件；所述屏蔽层还开设吸收窗口，所述吸收窗口与所述第一钯合金薄膜对应设置，用于供所述第一钯合金薄膜与氢气接触；
所述控温组件包括加热线圈与测温线圈，所述测温线圈用于检测所述钯合金薄膜组件周围的温度，所述加热线圈用于升高所述钯合金薄膜组件周围的温度；所述硅槽与所述绝缘层相配合用于对所述钯合金薄膜组件保温。
进一步地，所述第一钯合金薄膜与所述第二钯合金薄膜均为连续弯折的S形；所述钯合金薄膜组件构成惠斯通电桥型，并且所述钯合金薄膜组件由恒流源供电。
进一步地，所述加热线圈的面积小于所述硅槽的总面积。
进一步地，所述加热线圈为镍、镍铬合金、铂、铂铑合金与掺杂硅中的一种。
进一步地，所述测温线圈位于所述加热线圈的内侧或者外侧。
进一步地，所述测温线圈为镍、铂与掺杂硅中的一种。
优选地，所述绝缘层的厚度为8～12μm。
进一步地，所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅与二氧化硅氮化硅复合层中的一种。
进一步地，所述屏蔽层为氧化铝、二氧化硅、硼硅玻璃与磷硅玻璃中的一种。
进一步地，所述钯薄膜氢气传感器上远离所述钯合金薄膜组件的一端还设置引线焊盘，所述引线焊盘用于在所述第一钯合金薄膜与所述第二钯合金薄膜串联后引出电信号。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的钯薄膜氢气传感器中各部件组成独特的立体结构，极大地提升了热响应速度，避免钯薄膜氢气传感器响应迟滞造成的检测不准；并且能够有效起到保温作用，使得温度升高时，钯合金薄膜组件电阻增大，信号值增强，提升了灵敏度。
2、本发明的钯薄膜氢气传感器采用惠斯通电桥，能够有效减小温度的影响，提升对氢气的实时检测精度。
3、采用钯合金薄膜吸附氢气，钯合金本身对氢气的吸附能力高，灵敏度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单的介绍，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的一种可能的实施方式中钯薄膜氢气传感器的主视图；
图2为本发明的一种可能的实施方式中钯薄膜氢气传感器的俯视图；
图3为图2中钯合金薄膜组件及其周边的结构放大图。
其中，图中附图标记对应为：1-硅衬底，2-绝缘层，3-硅槽，4-钯合金薄膜组件，41-第一钯合金薄膜，42-第二钯合金薄膜，5-屏蔽层，51-吸收窗口，6-控温组件，61-加热线圈，62-测温线圈，7-引线焊盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；并且，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
现有的氢气传感器大多存在热响应迟滞的问题，传统的加热方式达到恒定并且稳定的温度往往需要数十分钟，而氢气传感器对氢气浓度的检测计算是需要引入当时的温度值作为参考的，但是检测计算也需要时间，因此，在温度快速变化不稳定时，氢气传感器计算得出的氢气浓度对应的是记录温度值时的氢气浓度，而非氢气传感器得出结果时的氢气浓度，导致其检测结果出现迟滞，对氢气浓度的检测是不精确的，也就无法得知此时的氢气浓度是否已经达到会造成危险的程度；基于提升氢气传感器检测精度与灵敏度的考虑，本实施例提供一种钯薄膜氢气传感器，如图1-3所示，能够极大地提升热响应速度，保温效果优秀，保证检测精度足够准确。
具体地，如说明书附图1所示，是本发明的一种可能的实施方式中钯薄膜氢气传感器的主视图，该钯薄膜氢气传感器包括硅衬底1、位于硅衬底1上的绝缘层2、位于绝缘层2下方的两个硅槽3、位于绝缘层2上的钯合金薄膜组件4、屏蔽层5与设置于钯合金薄膜组件4***的控温组件；其中，钯合金薄膜组件4包括第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42，如说明书附图2中的俯视图所示，以图2中所示方向为基准，第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42关于图中竖直中轴线呈现为左右对称设置，以便于两者之间形成对照，保持第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42中仅存在单一变量，尽可能地减少额外干扰因素对钯薄膜氢气传感器检测结果的影响。
具体地，第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42之间的单一变量为：第一钯合金薄膜41能够吸附氢气，而第二钯合金薄膜42与氢气完全隔绝，故设置屏蔽层5用于隔离氢气；如说明书附图1所示，屏蔽层5呈层状设置于绝缘层2上方，并且屏蔽层5能够完全覆盖住第二钯合金薄膜42，即屏蔽层5的厚度要大于第二钯合金薄膜42的厚度，以保证第二钯合金薄膜42不会接触到任何氢气；相对应地，为了形成对照，屏蔽层5上开设呈贯通孔状的吸收窗口51，该吸收窗口51位于与第一钯合金薄膜41相对应的位置，并且贯穿屏蔽层5，至少暴露出部分第一钯合金薄膜41，以保证第一钯合金薄膜41能够与氢气接触，进行检测；又因为对称设置，使得第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42工作时不存在其他干扰因素，检测结果准确；优选地，屏蔽层5为氧化铝、二氧化硅、硼硅玻璃与磷硅玻璃中的一种，屏蔽效果好。
具体地，如说明书附图3中的放大图所示，第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42均设置为连续弯折的S形，一方面，保证在吸收窗口有限的空间内能够有更多的第一钯合金薄膜41能够接触到氢气，既能保证即使是微量的氢气也能够检测到，提升对氢气的检测灵敏度，也能提升对氢气的最大检测量程，从而双向扩大本发明的钯薄膜氢气传感器对氢气的检测范围；另一方面，对空间的利用率高，减小了钯薄膜氢气传感器的整体体积。
此外，钯合金薄膜组件4构成由恒流源供电的惠斯通电桥型，能够大大提高钯薄膜氢气传感器的检测精度；其中，当第一钯合金薄膜41吸附氢气时，其电阻会上升，进而引起惠斯通电桥的信号变化，而在恒流源供电的情况下，电流不变，因此电阻产生的热量正比于电阻，在电阻的阻值升高时，会带来一些少量的热效应，使得钯合金薄膜组件4周围温度升高，反过来又使得钯合金薄膜组件4的电阻增大，进一步增大了惠斯通电桥的信号值，提升了钯薄膜氢气传感器的灵敏度。
具体地，控温组件6与其内围的钯合金薄膜组件4之间留有一定的间隙，以避免交叉干扰，该控温组件6包括加热线圈61与测温线圈62，其中测温线圈62用于检测钯合金薄膜组件4周围的温度，加热线圈61用于升高钯合金薄膜组件4周围的温度，加热线圈61与测温线圈62相配合以维持钯合金薄膜组件4周围温度的动态稳定，当外部环境温度快速升高时，为了保证本发明的钯薄膜氢气传感器具有足够好的热响应速度，加热线圈61开始对钯合金薄膜组件4周围进行加热，一方面，使得测温线圈62的检测温度值、钯合金薄膜组件4周围温度能够与环境温度三者保持同步，提升钯薄膜氢气传感器的热响应速度，同时保证计算氢气浓度时所引入的温度参考值的准确性与及时性，提升实时的检测精度；如说明书附图1-3所示，在本实施例中，测温线圈62位于加热线圈61的外侧；在本发明的另一个可能的实施方式中，测温线圈62可选为位于加热线圈61的内侧，两者的距离较近，只需保证钯合金薄膜组件4周围温度的稳定性以及检测值的准确性即可；需要说明的是，屏蔽层5也完全覆盖控温组件6，以起到辅助保温的作用，防止微量的热量迅速散失而无法被检测到的情况发生。
优选地，加热线圈61为镍、镍铬合金、铂、铂铑合金与掺杂硅中的一种，测温线圈62可选为镍、铂与掺杂硅中的一种。
具体地，硅槽3与绝缘层2相配合形成保温结构，用于对钯合金薄膜组件4保温；该硅槽3还位于硅衬底1的内部，可以看做是在硅衬底1的内围开设的槽体，如说明书附图2所示，硅槽3的开设位置与钯合金薄膜组件4相对应，并且硅槽3的总面积要大于加热线圈61的面积，或者加热线圈61的边缘处均不超过硅槽3的边缘处，以保证硅槽3与绝缘层2能够隔绝热量散失，维持钯合金薄膜组件4周围温度的恒定，防止微量热量散失；同时，该保温结构还能够增强惠斯通电桥的信号值，提升检测灵敏度；在本发明的一个可能的实施方式中，硅槽3还可以优选为一个，使得生产时更加方便。
优选地，绝缘层2为二氧化硅、氮化硅与二氧化硅氮化硅复合层中的一种；而绝缘层2的厚度优选为8～12μm，既不会过厚重量太大，也不会过薄导致易断裂；例如，在本发明的一个可能的实施方式中，绝缘层2的厚度设置为8μm，强度足够，并且8μm的绝缘层2足够隔绝热量的散失，很好地起到保温隔热作用，同时又最大限度地考虑到了轻量化，尤其是用于检测套管中绝缘油的氢气浓度时，能够避免堵塞套管；而考虑到最大限度地隔绝热量散失，影响检测精度的情况，在本发明的另一个可能的实施方式中，绝缘层2的厚度可以设置为12μm；综合考虑两种情况，在本发明的其他可能的实施方式中，绝缘层2的厚度还可以优选为10μm，经济效益好。
具体地，如说明书附图2所示，在远离钯合金薄膜组件4的一端还设置引线焊盘7，用于在第一钯合金薄膜41与第二钯合金薄膜42串联后引出电信号；在本实施例中，该引线焊盘7与钯合金薄膜组件4的距离可以设置为0.5～10mm，距离较远，对钯薄膜氢气传感器干扰较小。
通过本实施例可知，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的钯薄膜氢气传感器中各部件组成独特的立体结构，极大地提升了热响应速度，避免钯薄膜氢气传感器响应迟滞造成的检测不准；并且能够有效起到保温作用，使得温度升高时，钯合金薄膜组件电阻增大，信号值增强，提升了灵敏度。
2、本发明的钯薄膜氢气传感器采用惠斯通电桥，能够有效减小温度的影响，提升对氢气的实时检测精度；而第一钯合金薄膜与第二钯合金薄膜对称设置形成对照，能够有效消除温度对检测结果的影响。
3、采用钯合金薄膜吸附氢气，钯合金本身对氢气的吸附能力高，灵敏度高。
以上所描述的仅为本发明的一些实施例而已，并不用于限制本发明，本行业的技术人员应当了解，本发明还会有各种变化和改进，任何依照本发明所做的修改、等同替换和改进都落入本发明所要求的保护的范围内。
Claims (9)
1.一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，包括硅衬底(1)、位于所述硅衬底(1)上的绝缘层(2)、位于所述绝缘层(2)下方的至少一个硅槽(3)、位于所述绝缘层(2)上的钯合金薄膜组件(4)、屏蔽层(5)与设置于所述钯合金薄膜组件(4)***的控温组件(6)；
所述钯合金薄膜组件(4)包括一体连接的第一钯合金薄膜(41)与第二钯合金薄膜(42)，所述第一钯合金薄膜(41)与所述第二钯合金薄膜(42)对称设置；所述钯合金薄膜组件(4)构成惠斯通电桥型，并且所述钯合金薄膜组件(4)由恒流源供电；
所述屏蔽层(5)位于所述绝缘层(2)上，并且所述屏蔽层(5)覆盖所述第二钯合金薄膜(42)与所述控温组件(6)；所述屏蔽层(5)还开设吸收窗口(51)，所述吸收窗口(51)与所述第一钯合金薄膜(41)对应设置，用于供所述第一钯合金薄膜(41)与氢气接触；
所述控温组件(6)包括加热线圈(61)与测温线圈(62)，所述测温线圈(62)用于检测所述钯合金薄膜组件(4)周围的温度，所述加热线圈(61)用于升高所述钯合金薄膜组件(4)周围的温度；所述绝缘层(2)的厚度为8～12μm，所述硅槽(3)与所述绝缘层(2)相配合用于对所述钯合金薄膜组件(4)保温。
2.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述第一钯合金薄膜(41)与所述第二钯合金薄膜(42)均为连续弯折的S形。
3.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述加热线圈(61)的面积小于所述硅槽(3)的总面积。
4.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述加热线圈(61)为镍、镍铬合金、铂、铂铑合金与掺杂硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述测温线圈(62)位于所述加热线圈(61)的内侧或者外侧。
6.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述测温线圈(62)为镍、铂与掺杂硅中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述绝缘层(2)为二氧化硅、氮化硅与二氧化硅氮化硅复合层中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述屏蔽层(5)为氧化铝、二氧化硅、硼硅玻璃与磷硅玻璃中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种钯薄膜氢气传感器，其特征在于，所述钯薄膜氢气传感器上远离所述钯合金薄膜组件(4)的一端还设置引线焊盘(7)，所述引线焊盘(7)用于在所述第一钯合金薄膜(41)与所述第二钯合金薄膜(42)串联后引出电信号。
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