CN109856198B - 一种连续响应氢气阵列化气敏传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氢气传感器技术领域，具体涉及一种连续响应氢气阵列化气敏传感器及其制备方法。所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其包括基底和设置在基底上的Pd材料纳米缝电极层，所述Pd材料纳米缝电极层包括依次排列的若干条状Pd材料条和镀在最外侧的Pd材料条的电极，相邻Pd材料条之间的缝隙宽度从一端到另一端为连续变化。本发明提供的技术方案中最小氢气探测浓度由楔形缝隙的最小间距决定，楔形缝隙的斜率则控制传感器阻值降低的速度，即响应灵敏度，而探测信号的强弱可以通过阵列条纹的数量调节，实验表明，该传感器对氢气的探测下限可低于1ppm，并且其阻值随氢气浓度是线性响应。
Description
技术领域
本发明属于氢气传感器技术领域，具体涉及一种连续响应氢气阵列化气敏传感器及其制备方法。
背景技术
氢敏传感器可分为光学型和电特性型两种。其中，光学型氢敏传感器利用氢化材料薄膜在吸氢后的光学特性变化实现氢气的检测。该类传感器具有安全性强，灵敏度高的优点，不足之处在于测试***复杂，响应慢、不易操作控制，且寿命较短。电特性型氢传感器的检测原理是将氢气在电极上的催化反应状态以电信号的形式表现出来，从而得到氢气体积分数。电特性型氢传感器具有操作简单、易于实现微型化和集成化、可在无需维护的情况下长期使用。
传统的电特性检测方式存在响应信号小，灵敏度低，抗干扰能力差等缺点。因此对电特性型氢敏传感器的提高信号强度及抗干扰能力上的研究工作众多。主要包括氢敏材料的化学组分、结合性能、氢敏材料的合金以及结构性等角度，比如中国专利CN102313761A中公开了多组Pd材料电极来实现的，形成多种不同的平面电极间距，间距宽度值符合等差数列，每种相同宽度的电极包含多个并联电极组，形成一组氢气检测回路。利用小尺度的纳米缝提高传感器的灵敏度，大尺度纳米缝提高传感器的测量范围，但这一方案无法实现氢气材料的连续响应，并且同尺寸并联设置及等差数列排布不同电极间距的电极排布方式增加了制造的难度，提高了成本。
发明内容
本发明提供了一种连续响应氢气阵列化气敏传感器及其制备方法，用以解决目前氢气传感器存在灵敏性、测量范围、连续性以及实用性等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其包括基底和设置在基底上的Pd材料纳米缝电极层，所述Pd材料纳米缝电极层包括依次排列的若干条状Pd材料条和镀在最外侧的Pd材料条的电极，相邻Pd材料条之间的缝隙宽度从一端到另一端为连续变化。
可选地，所述相邻Pd材料条之间的缝隙宽度从一端到另一端为由宽到窄线性变化。
在无氢气的环境中，由于Pd是低阻金属相，Pd材料之间存在间距，彼此没有接触，整个传感器不导通，两个电极之间处于绝缘状态。当传感器暴露在氢气环境中时，Pd遇到氢气后形成钯基氢化物PdHx，由于HILE效应，钯基氢化物薄膜膨胀使得存在间距的Pd材料相接，形成一个尺寸在微米量级的微机械开关，两个电极之间开始导通，从而探测出氢气，由于间距逐渐展宽，随着氢气浓度的增高，钯基氢化物薄膜膨胀的越多，可以填平的间距就越宽，从而使得Pd材料之间的接触逐渐增大，两个电极之间的电阻也就随之线性降低，从而获得电阻值随氢气浓度增高而降低的线性响应。与现有技术相比也只需设置一组电极就可以实现并联增强的效果。
可选地，所述基底包括硅基底和镀覆在硅基底上的二氧化硅膜层，所述硅基底采用光刻技术形成硅基微纳条纹，硅基微纳条纹与Pd材料条一一对应，所述Pd材料条覆盖二氧化硅膜层之上。
可选地，所述硅基底厚度大于200微米，所述硅基微纳条纹采用光刻技术形成，硅基微纳条纹层的刻蚀深度为50～100微米。
可选地，所述二氧化硅膜层厚度为100～1000纳米。
可选地，所述Pd材料条呈楔形，所有Pd材料条最宽一端同位于一侧，最窄一端同位于另一侧。
可选地，所述Pd材料条的尺寸相同，相邻Pd材料条之间的缝隙呈楔形。
可选地，所述缝隙的最窄处为0～10纳米，最宽处为10～1000纳米。
可选地，所述Pd材料条与所述缝隙尺寸相同。
本发明还提供了上述连续响应氢气阵列化气敏传感器的制备方法，其包括如下步骤：首先在基底上沉积Pd材料涂层，然后采用紫外光光刻技术制备出阵列排布的Pd材料条，最后在最外侧的Pd材料条上镀上金属电极。
可选地，所述基底为在硅基底上镀覆了二氧化硅膜作为基底。
本发明提供的技术方案中最小氢气探测浓度由楔形缝隙的最小间距决定，楔形缝隙的斜率则控制传感器阻值降低的速度，即响应灵敏度，而探测信号的强弱可以通过阵列条纹的数量调节，实验表明，该传感器对氢气的探测下限可低于1ppm，并且其阻值随氢气浓度是线性响应。
附图说明
图1是本发明所述连续响应氢气阵列化气敏传感器一具体实施例的结构示意图；
图2是图1的俯视图。
图中所示：
10-硅基底、11-硅基微纳条纹、20-二氧化硅膜层、30-Pd材料纳米缝电极层、31-Pd材料条、32-电极、40-缝隙。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其是在硅基底10镀覆了厚度为800纳米的二氧化硅膜层20，然后在二氧化硅膜层20上沉积Pd材料涂层，采用紫外光光刻技术光刻出楔形缝隙40，从而在硅基底10上形成蚀刻深度为100微米的硅基微纳条纹11、二氧化硅膜层20上为Pd材料纳米缝电极层30，所述硅基底10总厚度达200微米。
如图2所示，所述Pd材料纳米缝电极层30包括从左到右依次排开的若干条状Pd材料条31和镀在最左侧和最右侧的Pd材料条31上的电极32。
如图1和2所示，所述硅基微纳条纹11与Pd材料条31一一对应，基于加工过程可见，所述Pd材料条31与对应的硅基微纳条纹11的横截面相同，都呈楔形。
如图2所示，所述Pd材料条31的结构尺寸相同，最宽一端同位于上侧，最窄一端同位于下侧，便于排列和加工，形成的相邻Pd材料条31之间的缝隙40与Pd材料条31形状互补，也是楔形，优选，Pd材料条31与楔形缝隙40的尺寸相同。
所述楔形缝隙40的最窄处为2纳米，最宽处为1000纳米。经实验验证，氢气浓度探测的范围为1～40000ppm的氢气浓度变化，可检测到稳定变化数据，所测电阻值变化应该随楔形缝隙的减小呈连续响应，可根据电阻值准确计算出氢气浓度。
需要指出的是，本实施例仅给出一排Pd材料条31的结构说明，实际可以根据需要进行多排多列的方式进行设置，缝隙40的结构也不限于楔形，其他由本构思延伸出的线性变化都属于本发明包含范围。
另外，对于二氧化硅膜层20的厚度可以为在100-1000纳米，硅基微纳条纹11刻蚀深度可以为50-100微米，所述硅基底10的总厚度需达200微米以上，所述缝隙的最窄处可设计为0～10纳米，最宽处可设计10～1000纳米。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，包括基底和设置在基底上的Pd材料纳米缝电极层，所述Pd材料纳米缝电极层包括依次排列的若干条状Pd材料条和镀在最外侧的Pd材料条的电极，相邻Pd材料条之间的缝隙宽度从一端到另一端为连续变化。
2.根据权利要求1所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述相邻Pd材料条之间的缝隙宽度从一端到另一端为由宽到窄线性变化。
3.根据权利要求1所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述基底包括硅基底和镀覆在硅基底上的二氧化硅膜层，所述硅基底采用光刻技术形成硅基微纳条纹，硅基微纳条纹与Pd材料条一一对应，所述Pd材料条覆盖二氧化硅膜层之上。
4.根据权利要求3所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述硅基底厚度大于200微米，所述硅基微纳条纹采用光刻技术形成，硅基微纳条纹层的刻蚀深度为50～100微米。
5.根据权利要求3所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述二氧化硅膜层厚度为100～1000纳米。
6.根据权利要求2所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述Pd材料条呈楔形，所有Pd材料条最宽一端同位于一侧，最窄一端同位于另一侧。
7.根据权利要求6所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述Pd材料条的尺寸相同，相邻Pd材料条之间的缝隙呈楔形。
8.根据权利要求7所述连续响应氢气阵列化气敏传感器，其特征在于，所述缝隙的最窄处为0～10纳米，最宽处为10～1000纳米。
9.权利要求1-8任一所述连续响应氢气阵列化气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先在基底上沉积Pd材料涂层，然后采用紫外光光刻技术制备出阵列排布的Pd材料条，最后在最外侧的Pd材料条上镀上金属电极。
10.根据权利要求9所述连续响应氢气阵列化气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述基底为在硅基底上镀覆了二氧化硅膜作为基底。
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