[發明專利]基于負載質量和電導率協同作用的聲表面波氫氣傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202010720819.0
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111812197A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 范理;張學禹;馬仁豪;李聆聲;張淑儀
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02;G01N29/036;G01N27/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 彭雄

本發明公開了一種基于負載質量和電導率協同作用的聲表面波氫氣傳感器及其制備方法，傳感器包括LiNbO₃壓電基底、叉指換能器、敏感層和外部電路，敏感層設置在LiNbO₃壓電基底的表面中部，在敏感層的兩端各設置一個叉指換能器，一個叉指換能器通過逆壓電效應在LiNbO₃壓電基底上激發出瑞利波，瑞利波通過LiNbO₃壓電基底的表面傳輸至另一個叉指換能器并通過壓電效應重新轉化為電信號；敏感層為Pt/RGO復合敏感層，其中Pt作為催化劑。本發明以Pt/RGO為敏感層，且吸附氫氣導致負載質量增加和電導率變化產生了協同效應來共同實現對氫氣高靈敏度的傳感，可用于室溫下痕量氫氣的檢測，提高了傳感器對氫氣的靈敏度。

技術領域

本發明涉及一種基于負載質量和電導率協同作用的聲表面波氫氣傳感器及其制備方法，屬于精密傳感器技術。

背景技術

超聲傳感器主要由壓電基底和基底上沉積的敏感層組成，由于具有靈敏度高、檢測極限低、體積小、功耗低、集成度高等優點，在氣體傳感領域得到了廣泛的研究。氫氣作為一種清潔的可再生能源，具有易燃易爆和難以儲存的問題，對痕量氫氣的檢測是一個非常重要的課題。

當前大多數氫氣傳感器對氫氣的響應基于敏感層對氫氣的吸附作用，但是這些傳感器容易受到工作溫度的影響。由于H₂吸附力弱，質量較低，隨著溫度的降低，靈敏度明顯降低。因此，提高在室溫下工作的氫傳感器的靈敏度是一個挑戰。為了提高性能，用于檢測H₂的超聲波傳感器最初設計用于在高溫下工作，WO₃、InO_x、SnO₂等金屬氧化物是比較常用的敏感層材料，一般工作溫度在100～200℃，在濃度為1％的氫氣中，中心頻率發生100kHz至700kHz。后來研究了工作溫度處于室溫的超聲波氫氣傳感器，但是，與其他基于吸附機理的氫氣傳感器類似，由于室溫下氫氣與敏感層之間的反應較弱，使得超聲波傳感器的靈敏度降低。例如，基于Pt改性InOx和WO₃敏感層的瑞利波傳感器在1％H₂中表現出20kHz和72kHz的靈敏度。但是，進一步提高超聲H₂傳感器在室溫下工作的靈敏度非常難。

近年來，一種新型材料石墨烯因其獨特的特性引起了人們的廣泛關注。石墨烯由于比表面積大、載流子遷移率高、約翰遜噪聲低，是一種很好的檢測H₂的敏感材料。一方面，石墨烯具有良好的電學性能，大多數采用類石墨烯敏感層的H₂傳感器的傳感工作主要利用類石墨烯敏感層吸附氫氣導致的電導率變化；另一方面，有人也提出了采用類石墨烯敏感層的超聲H₂傳感器。采用Pd作為催化劑，室溫下對混合在空氣中的1％H₂的靈敏度從5.8kHz提高到30kHz。對比發現，使用類石墨烯敏感層的超聲波H₂傳感器與基于金屬氧化物和其他納米薄膜的敏感層相比，表現出了更出色的敏感性。

聲表面波傳感器檢測原理是，當敏感層吸附氫氣時，改變了聲表面波在傳感器基底上的傳播速度和傳播損耗，通過測量傳感器中心頻率的偏移或插入損耗，就可以檢測到氫氣濃度。由于超聲波傳感器工作頻率高，頻率從幾兆赫茲到上千兆赫茲，因此中心頻率和傳輸損耗對吸附物非常敏感，而且工作頻率越高，靈敏度越高。

敏感層吸附物質后引起的負載質量增加和電導率變化是影響中心頻率偏移的兩個主要因素，但是氫氣質量較低，引起的負載質量變化相對較小，因此電導率變化非常關鍵。研究發現利用Pt/RGO復合敏感層主要具有以下三點優勢：

(1)Pt/RGO復合敏感層對H₂具有較強吸附力；

(2)Pt/RGO復合敏感層吸附H₂后：一方面，負載質量增加，降低中心頻率；另一方面，敏感層電導率降低，導致中心頻率下降，兩者偏移產生了協同效應；