日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（產(chǎn)綜研）開發(fā)出了可集成于半導體芯片的微型熱電式氫氣傳感器。檢測范圍（空氣中氫氣的濃度）達到了0.5ppm～5％之間。用于氫氣站等設(shè)施的泄露檢測。今后將向有關(guān)機構(gòu)提供傳感器樣品，力爭將其應用于氫氣設(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。 



    因為空氣中氫的濃度一旦達4％，就會爆炸，因此氫氣泄露檢測技術(shù)需要氫氣傳感器能夠在ppm級到4％這一最低爆炸極限濃度范圍之間進行高精度檢測。但是，以前的接觸燃燒式和半導體式氫氣傳感器很難在ppm到百分之幾的大范圍內(nèi)進行檢測。 



    例如，接觸燃燒式氣體傳感器依靠檢測信號傳感器的電阻變化進行檢測，因此對高濃度區(qū)的檢測比較有效，但在低濃度區(qū)由于靈敏度低，實際上根本無法檢測。具體來說，燃燒發(fā)熱導致溫度變化0.01℃時，電阻變化僅為0.004％，實際上無法檢測，因此不能當作傳感器使用。 



    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)熱反應引起的局部溫差，利用熱電轉(zhuǎn)換膜轉(zhuǎn)換為電壓信號。因而，只要使用高性能的熱電材料就可得到足以完成檢測任務的信號。 



    新開發(fā)的傳感器采用的是催化反應和熱電轉(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，不僅提高了可檢測濃度范圍，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)機構(gòu)）開展的產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究扶持項目--“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，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膜之后進行熱處理的薄膜成形技術(shù)。因為SiGe熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電特性高，非常適宜采用半導體工藝。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中，將新開發(fā)的微型熱電式氫氣傳感器放置在相對溫度約為65％的室溫環(huán)境中，持續(xù)工作了3個月，在此期間對它對100ppm，1000ppm和1％氫氣濃度的反應特性進行了測試。結(jié)果證實，性能十分穩(wěn)定。此次采用普通半導體工藝，就將微型傳感器集成到了硅底板上，因此該公司認為，將來還可集成處理傳感器信號的電子線路，因此便于小型化，以及通過量產(chǎn)降低生產(chǎn)成本，實用潛力很大。