[發(fā)明專利]一種高選擇性體聲波諧振氫氣傳感器及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010933600.9
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號(hào): CN112229905A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫博;何春華;廖廣蘭;王子奕;林建斌
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N29/036
• 分類號(hào): G01N29/036;C23C14/30;C23C14/10;C23C14/02;C23C14/58;C23C14/35;C23C14/16;C23C14/06;C23C28/00;C23C16/56
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發(fā)明屬于微納制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種高選擇性體聲波諧振氫氣傳感器及其制備方法，所述氫氣傳感器包括氫氣敏感層、氫氣選擇層及體聲波諧振器，所述氫氣敏感層設(shè)置在所述體聲波諧振器上，所述氫氣選擇層設(shè)置在所述體聲波諧振器上，且其與所述體聲波諧振器之間形成收容空間，所述氫氣敏感層收容在所述收容空間內(nèi)；其中，所述氫氣選擇層為一層或者多層只允許氫氣分子通過的薄膜。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對氫氣的選擇性吸附，提高了檢測的準(zhǔn)確性，且所述氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，對氫氣檢測選擇性強(qiáng)，靈敏度高，響應(yīng)快，且能與集成電路工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)微型化，產(chǎn)品化，可以應(yīng)用于復(fù)雜氣氛環(huán)境中氫氣的高靈敏檢測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高選擇性體聲波諧振氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

作為一種新興能源載體和化工原料、氫氣具有來源廣泛、清潔環(huán)保、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，對推進(jìn)節(jié)能減排、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和應(yīng)對全球氣候變化有重要意義，但是氫氣易燃易爆，其空氣含量在4％～75％范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸。典型的氫氣傳感技術(shù)包括催化、熱導(dǎo)、電化學(xué)、電阻式及光學(xué)方法，這些傳感器通常響應(yīng)速度慢、工作溫度高、靈敏度低，無法滿足氫氣使用過程中的快速高靈敏的檢測要求。

微質(zhì)量傳感器是體聲波諧振器的一個(gè)熱點(diǎn)應(yīng)用，其傳感原理為諧振器的頻率會(huì)隨器件吸附的物質(zhì)的量變化而發(fā)生變化，由于體聲波諧振器的諧振頻率較高，當(dāng)吸附量發(fā)生細(xì)微變化，其諧振頻率會(huì)出現(xiàn)較大變化，因此體聲波諧振器用作微質(zhì)量傳感器具有較高的靈敏度，可檢測出分子量級的變化。金屬鈀具有優(yōu)異的吸氫性能，在常溫條件下1體積的金屬鈀可以吸收900體積的氫氣，金屬鈀在吸收氫氣后，其質(zhì)量增加，金屬鈀由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，其密度和物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變，利用金屬鈀作為檢測氫氣的敏感材料是一種較優(yōu)的選擇?；诼暡ㄖC振器與鈀實(shí)現(xiàn)氫氣的檢測，可實(shí)現(xiàn)常溫下對氫氣高靈敏度的快速檢測。

目前同類型的利用金屬鈀作為敏感材料的氫氣傳感器中，均是在氮?dú)浠旌蠚庵羞M(jìn)行相關(guān)性質(zhì)的測試，測試環(huán)境較為理想，測試結(jié)果表明該類型傳感器具有較好的氫敏感特性。但是實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的工作環(huán)境更為復(fù)雜，工作環(huán)境中不僅包含氮?dú)?，還包括水、二氧化碳、一氧化碳等氣體；金屬鈀具有優(yōu)異的吸氫性能，但同時(shí)對一氧化碳、水等也具有一定的吸附性，因此利用金屬鈀作為敏感材料的氫氣傳感器在復(fù)雜氣氛環(huán)境工作時(shí)，在吸附氫氣時(shí)也會(huì)吸附一氧化碳以及水蒸氣，使測量的結(jié)果與實(shí)際情況不相符合，傳感器準(zhǔn)確性較低。利用金屬鈀作為敏感材料的氫氣傳感器在復(fù)雜氣氛環(huán)境工作時(shí)，要提高傳感器的準(zhǔn)確度，對氫氣的選擇性是一個(gè)必須解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種高選擇性體聲波諧振氫氣傳感器及其制備方法，其設(shè)置有氫氣選擇層，克服了同類型的氫氣傳感器檢測氫氣時(shí)會(huì)對其他氣體敏感的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對氫氣的選擇性吸附，提高了檢測的準(zhǔn)確性，且所述氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，對氫氣檢測選擇性強(qiáng)，靈敏度高，響應(yīng)快，且能與集成電路工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)微型化，產(chǎn)品化，可以應(yīng)用于復(fù)雜氣氛環(huán)境中氫氣的高靈敏檢測，解決了現(xiàn)有技術(shù)中對氫氣選擇性較差、需要高溫、響應(yīng)慢等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種高選擇性體聲波諧振氫氣傳感器，所述氫氣傳感器包括氫氣敏感層、氫氣選擇層及體聲波諧振器，所述氫氣敏感層設(shè)置在所述體聲波諧振器上，所述氫氣選擇層設(shè)置在所述體聲波諧振器上，且其與所述體聲波諧振器之間形成收容空間，所述氫氣敏感層收容在所述收容空間內(nèi)；

其中，所述氫氣選擇層為一層或者多層只允許氫氣分子通過的薄膜。

進(jìn)一步地，所述體聲波諧振器包括基底、下電極層、壓電層及上電極層，所述基底朝向所述下電極層的表面開設(shè)有空腔，所述下電極層及所述壓電層分別設(shè)置在所述基底上，且所述下電極層部分地收容于所述壓電層內(nèi)；所述上電極層設(shè)置在所述壓電層遠(yuǎn)離所述基底的表面上；所述氫氣敏感層及所述氫氣選擇層分別設(shè)置在所述上電極層上。