[發明專利]一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201110349618.5
• 申請日: 2011-11-07
• 公開（公告）號: CN102495045A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 劉繄;張岡;陳幼平;宋涵;楊吉祥
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/75
• 分類號: G01N21/75;C23C14/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明涉及氫氣傳感器，特別是涉及一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料及其制備方法。

背景技術

氫氣作為一種清潔高效的可再生性能源，已廣泛應用于飛行器、車輛和船舶等的助推裝置中，被稱為21世紀能源體系的支柱。除了能源領域，氫氣還在高純度硅晶體生產、含氫成分化工產品生產、玻璃生產、石油提煉、金屬焊接、低溫冷卻和化學合成等領域得到了廣泛應用。但氫氣本身又是一種易燃易爆氣體，在常溫常壓下，當空氣中氫氣的含量位于4％-74.5％之間時，就有可能引起爆炸事故，威脅人身財產安全。因此，對氫氣在生產、存儲、運輸和使用過程中的泄漏檢測就顯得尤為重要。研究一種安全、可靠、靈敏度高的氫氣傳感器具有十分重要的意義。光纖傳感器以其特有的安全性，穩定性，抗干擾性，一直來時都是氫氣檢測時的首選傳感器。影響光纖氫氣傳感器的最重要因素就是其中的氫敏材料。這種材料要求對氫氣的選擇性強、抗氫脆效果好、響應時間快、靈敏度高、漂移量小、穩定性好、經濟性好。

目前，光纖氫氣傳感器用氫敏材料主要是純鈀及鈀合金薄膜。純鈀膜對氫氣反應十分敏感。但是，在通入氫氣幾次之后，容易出現氫脆現象，發生起泡、破裂和脫落，這主要是純鈀膜在氫氣作用下發生了從α到β的相變[K.Kalli，A.Othonos?and?C.Christofides，Characterization?of?reflectivity?inversion，α-and?β-phase?transitions?and?nanostructure?formation?in?hydrogen?activated?thin?Pd?films?on?silicon?based?substrates，journal?of?applied?physics，2002，(91)：3829-3840]。純鈀膜除了氫脆之外漂移明顯，很難完成對氫氣傳感器的標定。在鈀中參入一定量的銀，可以有效地抑制鈀膜從α到β的相變，從而防止鈀膜破裂和脫落[Hu?JD，Jiang?M，Lin?ZL，Novel?technology?for?depositing?a?Pd-Ag?alloy?film?on?a?tapered?optical?fibre?for?hydrogen?sensing，journal?of?optics?a-pure?and?applied?optics，2005，(10)：593-598]，但是這種鈀/銀合金膜也存在著漂移現象。鈀/金合金膜，大大抑制了傳感器的零點漂移。鈀/金膜的零點漂移在0.5％以內，遠小于純鈀。但是這種膜響應時間較慢，約為3分鐘，信號靈敏度很低，通入4％的氫氣，其折射率僅有千分之5的變化[Donato?Luna-Moreno，David?Monzon-Hernandez，Joel?Villatoro，et?al.Opotical?fiber?hydrogen?senor?based?on?core?diameter?mismatch?and?annealed?Pd-Au?thin?films，Sensors?and?Actuators?B，2007，125：66-71]，限制了其在高精度氫氣傳感器方面的應用。鈀/三氧化鎢復合膜水蒸氣等抗干擾性較強，但是也存在漂移和氫脆現象[Minghong?Yang，Yan?Sun，Dongsheng?Zhang，et?al.Using?Pd/WO3?composite?thin?films?as?sensing?materials?for?optical?fiber?hydrogen?sensors，Sensors?and?Actuators?B，2010，143(2)：750-753]。

發明內容

本發明的目的是為了克服以上現有技術存在的不足，提供一種對氫氣選擇性強、抗氫脆效果好、響應時間快、靈敏度高、漂移量小、穩定性好、經濟性好的氫氣傳感器用氫敏薄膜材料；本發明的另一目的在于提供一種氫氣傳感器用氫敏薄膜材料的制備方法。

本發明提供的一種光纖氫氣傳感器用氫敏材料，其特征在于，該薄膜材料包括基底和合金薄膜；

所述的基底的材料為金屬、半導體或絕緣體材料；

所述的合金薄膜材料基本成分為Pd和Y，化學組成為Pd_[1-x-y]Y_[x]α_[y]，其中α為Pt、Ag、Au、Ni、Cu、Al、Li和B中的任一種，或者為La、Ru、Ce、Pr、Nd和Pm中的至少一種，0＜x≤0.3，0≤y≤0.3；

所述的合金薄膜材料厚度2～1000nm。