[發明專利]一種基于諧振腔共振效應的氫氣傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202210628656.2
• 申請日: 2022-06-06
• 公開（公告）號: CN115201280A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 畢勝;王堯;韓旭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 許明章;王海波

本發明屬于氣體傳感器技術領域，涉及一種新型氫氣傳感器及其制備方法，具體涉及一種基于諧振腔共振效應的氫氣傳感器及其制備方法。所述氫氣傳感器，包括襯底、下部導電層、介電層、上部導電層和氫氣敏感陣列；下部導電層位于襯底上表面，氫氣敏感陣列生長在下部導電層上表面，介電層位于下部導電層上表面且位于氫氣敏感陣列之間且呈條紋狀分布，上部導電層位于介電層上表面；氫氣敏感陣列上金屬元素。本發明能夠實現室溫下可見光頻段的氫氣濃度檢測，并且可在不同溫度下直接進行檢測，受外部電磁、熱源干擾小、可重復使用率高。其制備工藝簡單、體積小、易于集成、成本低廉，且制作過程無污染。

技術領域

本發明屬于氣體傳感器技術領域，涉及一種新型氫氣傳感器及其制備方法，具體涉及一種基于諧振腔共振效應的氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術

氫氣(H₂)由于燃燒產物是水、不污染環境、可循環再生、能量密度高，被稱為“世界上最干凈的能源”，而被廣泛應用于航空航天、電子制造、化工生產等領域。然而，氫氣具有極強的揮發性和易燃性(4％)，同時無色無味難以被人類感官感覺，如果發生泄漏會對人類安全造成巨大的威脅。因此研發選擇性高、靈敏度高、響應速度快的室溫氫氣探測器對于保障氫能安全至關重要。

對于半導體型氫敏材料，一般選用ZnO、WO₃、SnO₂、Nb₂O₅等金屬氧化物作為氫氣傳感中的敏感材料。ZnO在氫氣傳感器中的應用，在過去的20年里得到了廣泛的研究，開始于使用ZnO薄膜與加熱元件結合到基于納米棒/納米線的一維納米結構作為傳感元件。ZnO不僅可作為氫敏材料，還可以作為一種光電材料，表現出電學和光學各向異性以及較高的電子遷移率，并且其制備工藝成熟。

鈀、釔和鎂等貴金屬常常被用作氫氣傳感中敏感層材料，類似于鈀的氫化反應，釔和鎂金屬也會由于吸氫后產生氫化物而發生質變，從而導致其介電常數、折射率、等離子體頻率等光學性質發生變化。但它們的吸附過程很緩慢，通常需要添加催化劑來提高吸附性能，在室溫下，由于鈀具有卓越的儲氫容量和容易釋放氫氣的能力，1體積Pd可以吸收70同等體積的氫氣，因此鈀常常被用作氫氣傳感中首選敏感層材料。

現有技術中，氫氣傳感器主要分為電阻型氫氣傳感器、催化型氫氣傳感器、電化學型氫氣傳感器、光學型氫氣傳感器等。其中，光學型氫氣傳感器具有選擇性高、工作溫度低、壽命長、安全性高、穩定性高等優點，成為目前研究的熱點。中國專利文獻(申請號為：CN201610118627.6)公開了一種氧化鎢納米花氫氣傳感器的制備方法，包括以下步驟：(1)在襯底上生長出氧化鎢納米線，且鎢粉貼附在其表面上；(2)將襯底上的鎢粉生長為氧化鎢納米花結構體；(3)將襯底加熱退火后，在氧化鎢納米花結構體上摻雜貴金屬，得到氫氣傳感器敏感材料； (4)在氫氣傳感器敏感材料兩端制備電極，再引線封裝，得到氧化鎢納米花氫氣傳感器。該專利通過水熱法將氧化鎢納米花生長在襯底上后再進行摻雜；大多數氫氣敏感材料制備涉及到復雜的反應和操作過程，如何高效穩定地制備氫氣敏感材料還需尋求重大突破。

因此，有必要開發一種操作簡單、工藝簡單且制備出的氫氣敏感材料性能穩定高效的基于諧振腔共振效應的氫氣傳感器制備方法。

發明內容

本發明的目的是針對背景技術提出的難題，設計一種基于諧振腔共振效應的光吸收型氫氣傳感器件，基于金屬摻雜的氫氣敏感陣列的光吸收型氫氣傳感器用于快速檢測環境中氫氣的濃度，在不同的含氫氣氛中，所述氫氣氣體傳感器在指定波長處其入射光的吸收特性發生明顯的變化。本發明能夠實現室溫下可見光頻段的氫氣濃度檢測，并且可在不同溫度下直接進行檢測，受外部電磁、熱源干擾小、可重復使用率高。其制備工藝簡單、體積小、易于集成、成本低廉，且制作過程無污染。

為了解決上述技術問題，本發明采用以下方案：