發(fā)布時間：2020-10-16 11:43

　　 氫氣作為清潔能源引起了人們的極大關(guān)注,也是未來最有潛力的能源之一。本文針對氫氣濃度跨度大、測量下限低、功耗低、工作模式簡單的應(yīng)用場景的氫氣濃度測量的需求背景,采用薄膜技術(shù)和MEMS技術(shù),開展惠斯通電橋式氫薄膜傳感器的設(shè)計、制備及性能研究。通過系統(tǒng)研究,獲得以下主要結(jié)果:首先,開展了PdNi合金薄膜和Si_3N_4薄膜的制備及微觀結(jié)構(gòu)研究。采用直流磁控濺射法制備PdNi合金薄膜,其中靶材采用PdNi鑲嵌靶,所制備的PdNi合金薄膜表面平整且致密度高,合金薄膜中Ni原子占比為13.49%。隨著PdNi合金薄膜厚度從20 nm增大至100 nm,其方阻從20.90Ω/□逐漸減小到3.32Ω/□,其電阻率從4.18×10~(-5)Ω·cm減小到3.32×10~(-5)Ω·cm。經(jīng)300℃氮氣退火后,PdNi薄膜的衍射峰逐漸增強,薄膜結(jié)晶度更高,晶粒尺寸增大,同時薄膜表面平整度仍較高。采用射頻反應(yīng)磁控濺射法制備Si_3N_4薄膜,所制備的Si_3N_4薄膜的致密度較高。其次,以PdNi薄膜作為氫敏感層,Si_3N_4薄膜作為氫擴散阻擋層,設(shè)計和制備了惠斯通電橋式氫薄膜傳感器。該傳感器從下到上依次為氧化硅基片、Si_3N_4薄膜、四個單獨的PdNi薄膜電阻,PdNi薄膜電阻為8.4 kΩ,利用外置電路的連接實現(xiàn)惠斯通電橋結(jié)構(gòu),其中兩個PdNi薄膜電阻作為氫敏電阻,另外兩個有氫擴散阻擋層的PdNi薄膜電阻作為參考電阻。采用光刻-鍍膜-剝離工藝制備氫薄膜傳感器樣品,其中線條寬度為100?m,PdNi薄膜厚度為100 nm,氫擴散阻擋層Si_3N_4薄膜厚度為160 nm,電極焊盤Au薄膜厚度為220 nm。第三,對氫氣傳感器自動標(biāo)定系統(tǒng)進行了改造,以恒壓源提供恒定輸入電壓、控溫系統(tǒng)提供恒溫的測試環(huán)境、混氣系統(tǒng)自動混合出不同濃度的氮氫混合氣,通過LaBVIEW程序測量并自動記錄傳感器的輸出電壓信號。第四,采用氫傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對制備的傳感器樣品進行了性能標(biāo)定。結(jié)果表明,隨著測試溫度的升高,未退火的氫薄膜傳感器的輸出響應(yīng)降低。在30°C~70°C測試溫度下,傳感器的輸出電壓逐漸從41.35 mV減小到25.153 mV,響應(yīng)時間從2.88 min增大到7.69 min;傳感器樣品對高濃度氫氣具有良好的響應(yīng),隨著氫氣濃度的增加,傳感器的輸出電壓也逐漸增大,在50℃、0.4%~1.2%的氫氣濃度范圍內(nèi),傳感器的輸出信號從37 mV增大到50 mV,響應(yīng)時間從6.01 min逐漸縮小至4.18 min;在50℃、200 ppm~800 ppm的氫氣濃度范圍內(nèi),傳感器的輸出信號從10mV逐漸增大到18 mV;傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,在對0.4%氫氣濃度的循環(huán)測試中,惠斯通電橋式氫薄膜傳感器的輸出電壓峰值在31.96 mV~34.01 mV之間波動;而退火后傳感器的輸出電壓峰值在13.252 mV~13.365 mV左右波動,且零點漂移較小。最后,研究了退火熱處理對傳感器性能的影響。退火后傳感器的輸出電壓有所減小,但樣品的重復(fù)性和穩(wěn)定性得到了較大的改善,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間出現(xiàn)了較大幅度的降低。在50°C、1.2%的氫氣濃度下,傳感器的輸出電壓從48.60 mV減小到19.80 mV,恢復(fù)時間從15.56 min縮短到9.62 min;在50°C、200 ppm的氫氣濃度下,傳感器的輸出電壓從10 mV減小到3.2 mV,響應(yīng)時間從25.94 min縮短到11.58 min,恢復(fù)時間從51.5 min縮短到26.12 min。此外,退火的傳感器在10ppm、30 ppm和50 ppm低濃度氫氣下分別有600μV、1200μV和1600μV的輸出電壓信號。優(yōu)化工藝制備的傳感器性能指標(biāo)是:檢測范圍為10 ppm至1.2%;輸出電壓范圍為600μV至19.80 mV;對于1.2%的氫氣,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別是3.69 min和9.62 min;對于10 ppm的氫氣,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別15.81 min和53.39 min。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.2;TP212
【部分圖文】：

用于銅熔體的電勢型氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

基于鎢氧化物的光學(xué)型氫氣傳感器

不同Ni含量的PdNi薄膜氫氣傳感器的響應(yīng)曲線
【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;歐洲開發(fā)出多層自清潔水過濾薄膜技術(shù)[J];網(wǎng)印工業(yè);2016年05期

2 朱歸勝;顏東亮;陳彩明;;以科研相融合的《薄膜技術(shù)與薄膜材料》課程實踐教學(xué)改革初探[J];教育教學(xué)論壇;2015年07期

3 歐陽曉明;;漢能模式對我國企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的啟示[J];中國民商;2017年02期

4 ;新加坡大學(xué)開發(fā)吸收CO_2薄膜技術(shù)[J];化學(xué)工程師;2005年06期

5 ;玻璃涂彩色薄膜技術(shù)[J];河南科技;1987年09期

6 電子部激光情報網(wǎng)真空薄膜技術(shù)調(diào)研組;;真空薄膜技術(shù)調(diào)研報告[J];激光與紅外;1987年07期

7 金立山;;薄膜附著力測定儀[J];真空與低溫;1987年01期

8 李紀(jì)民,孫秀峰;同位素源X射線熒光法分析溶液中微量金[J];中國核科技報告;1988年S2期

9 章正;;用X射線熒光光譜法同時測定膜厚/組成比[J];上海金屬.有色分冊;1988年02期

10 金原粲,王大春;薄膜制作技術(shù)的現(xiàn)狀[J];壓電與聲光;1989年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李悰;熱退火與激光晶化制備納米鍺薄膜及其器件應(yīng)用探索[D];南京大學(xué);2013年

2 王建省;禁帶寬度可調(diào)的Cu-Zn-Sn-S薄膜的制備及其光電化學(xué)性質(zhì)的研究[D];東北大學(xué);2016年

3 曹得重;納米多孔氮化鎵基薄膜的制備及其相關(guān)應(yīng)用的研究[D];山東大學(xué);2018年

4 張志遠;分子束外延及離子共注入技術(shù)制備p型ZnO單晶薄膜[D];浙江大學(xué);2018年

5 杜蘇軒;TaC基薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦學(xué)行為的研究[D];吉林大學(xué);2018年

6 黃衛(wèi)東;高可靠性電子封裝中防潮薄膜技術(shù)的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2003年

7 黃桂芳;無機表面薄膜力學(xué)及耐蝕性能研究[D];湖南大學(xué);2005年

8 武衛(wèi)兵;寬帶p型CuSCN薄膜的電沉積、結(jié)構(gòu)與性能的研究[D];天津大學(xué);2005年

9 方澤波;Tb摻雜ZnO薄膜和高K柵介質(zhì)Er_2O_3薄膜的制備及特性研究[D];蘭州大學(xué);2006年

10 曹江偉;超高密度磁記錄介質(zhì)用Fe-Pt薄膜的研究[D];蘭州大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 費立勛;PVDF-TrFE共聚物薄膜的壓電特性優(yōu)化研究[D];電子科技大學(xué);2019年

2 田曉宇;高靈敏度氫探測薄膜傳感器的制備及性能研究[D];電子科技大學(xué);2019年

3 岳天峰;CO_2反應(yīng)氣氛下射頻濺射制備碳摻雜Ti-O薄膜的成分/結(jié)構(gòu)和光催化性能研究[D];海南大學(xué);2019年

4 陳哲;Ti_2AlN（MAX相）薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)及抗氧化性能研究[D];西安理工大學(xué);2019年

5 李凱凱;注入Si離子對Er:ZnO薄膜熒光增強效應(yīng)的研究[D];山東大學(xué);2019年

6 王玉瑩;射頻反應(yīng)磁控濺射法制備Ti-O、Ti-Al-O薄膜及其性能研究[D];東北大學(xué);2015年

7 吳華亭;Zr-Co-Ce吸氣劑薄膜的制備與性能研究[D];北京有色金屬研究總院;2018年

8 何濤;磁過濾陰極弧沉積ta-C薄膜的關(guān)鍵技術(shù)及薄膜性能研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

9 霍磊;固體潤滑薄膜在CO_2環(huán)境中的摩擦行為及機理研究[D];蘭州交通大學(xué);2018年

10 李建偉;脈沖等離子體增強化學(xué)氣相沉積類金剛石碳基薄膜的研究[D];遼寧科技大學(xué);2018年

本文編號：2843211