[發明專利]一種基于卷曲薄膜的光學氫氣檢測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201610128635.9
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN105758800B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 梅永豐;胥博瑞
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/17
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

本發明屬于微納器件技術領域，具體為一種基于卷曲薄膜的光學氫氣檢測器及其制備方法。本發明制備方法包括：在干凈基片上光刻圖形；沉積具有內應力的金屬薄膜和氫氣體積膨脹效應的金屬薄膜；選擇性腐蝕薄膜與基片間的犧牲層得到卷曲薄膜。本發明的光學氫氣檢測器利用通入氫氣后薄膜卷曲的曲率半徑增加或由卷曲形態轉變為平展狀態引起肉眼可見的顏色變化，實現對氫氣的檢測功能。本發明在檢測過程中沒有電流傳輸，更加安全，能夠不附加能源及設備對氫氣進行實時監測并將結果直觀反映出來；制備方法較為簡單，可適用于工業生產中，具有實際應用意義。

技術領域

本發明屬于微納器件技術領域，具體涉及一種由卷曲薄膜構成的光學氫氣檢測器及其制備方法。

背景技術

隨著社會的不斷發展，煤、石油等傳統化石能源的儲備已經日漸枯竭，且由此引發的環境污染也已成為當今全球社會不得不重視的一個問題。在此背景下尋找開發新的清潔能源已經迫在眉睫。在眾多的新能源中，氫能具有巨大的發展潛力，受到了廣泛關注。現已有大量的研究關注于氫氣的制備、儲存、運輸，寄希望以此研究出新能源運輸設備、工業設備等。但氫氣具有分子量小、易燃易爆（在4%-75%的范圍內）、無色無味等特點。泄露后難以察覺，十分容易引發嚴重的安全事故。故需要可靠的檢測器對環境內的氫氣進行實時監測。

目前氫氣檢測方面的研究主要運用了以下幾種機理：(1) 電信號檢測：許多金屬、氧化物材料在與氫氣接觸后會產生阻抗變化，基于此制備的檢測器通過測量電流、電壓、阻抗信號的變化來檢測環境中的氫氣；(2) 光信號檢測：該方法是基于光纖信號的測量實現的，在光纖上修飾具有氫氣敏感特性的材料，在與氫氣接觸后會導致光纖內的光傳輸信號發生變化從而檢測氫氣；(3) 機械信號檢測：該方法建立在Pt、Pd等貴金屬在與氫氣接觸后會產生體積膨脹效應，由此產生力學變化或機械形變。與電學及光學檢測相比，該方法更加安全，無需額外的信號輸入。但一般這種機械形變較為微弱，在低濃度氫氣環境中測量這種信號需要如微懸臂等復雜的裝置，大大限制了其發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種使用安全、便于實時檢測的光學氫氣檢測器及其制備方法。

本發明提供的光學氫氣檢測器，由多層金屬薄膜體系卷曲形成；利用最內層的金屬層在氫氣氛圍中產生體積膨脹效應引起的薄膜卷曲形態的變化，產生宏觀可見的光學變化，由此實現無需其他附加設備的獨立氫氣檢測。

本發明提出的上述基于卷曲薄膜的光學氫氣檢測器的制備方法，具體步驟如下：

(1) 清洗基片；

(2) 在基片上光刻圖形；

(3) 使用薄膜沉積方法在基片上沉積具有內應力的金屬薄膜；

(4) 使用薄膜沉積方法在基片上沉積具有氫氣體積膨脹效應的金屬薄膜；

(5) 選擇性腐蝕光刻膠得到卷曲薄膜。

本發明中，步驟(1)所述基片為硅片、玻璃片或石英片的其中一種。

本發明中，步驟(3)所述具有內應力的金屬為鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋁的單一組分，或是這些金屬中的幾種構成的多層金屬薄膜。

本發明中，步驟(4)所述具有氫氣體積膨脹效應的金屬為鉑、鈀的單一組分，或是含有這些金屬組分的合金。

本發明中，步驟(3)-(4)所述薄膜沉積方法是指熱蒸發沉積、電子束蒸發沉積、激光脈沖沉積、磁控濺射等。

本發明中，步驟(3)-(4)所述金屬薄膜厚度為5-200納米。

本發明提供的基于卷曲薄膜的光學氫氣檢測器，具體工作原理如下：

所述卷曲薄膜通入氫氣后，微米管的直徑增加或由卷曲形態轉變為平展狀態（圖2），由此引起肉眼可見的顏色變化，實現對氫氣的檢測功能。