一种基于气致变色功能的氢气传感器制造技术

本申请涉及一种基于气致变色功能的氢气传感器，所述氢气传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；所述敏感单元为中部为中空结构的双层结构；该氢气传感器基于WO3纳米材料的气敏性质和气致变色性质，可以实现对氢气的可视化检测，反应响应时间短，灵敏度高，并且使用方便，易于操作，达到准确及时检测氢气泄漏的目的。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及氢气传感领域，具体涉及一种基于气致变色功能的氢气传感器。
技术介绍
氢气是世界上已知最轻的气体，密度很小，为空气的1/14，其可作为飞艇、气球等的填充气体，在化学上，可以用来作为催化剂，医学上，可以用来治疗疾病。氢气是一种重要的工业气体，其无色、无味、易燃，氢气和一氧化碳的混合气是重要的化工原料。氢气传感器主要用来工业方面检测氢气的泄露等，然而，目前氢气传感器的检测结果较少具有可视化的功能。
技术实现思路
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种基于气致变色功能的氢气传感器。根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于气致变色功能的氢气传感器，所述氢气传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述氢气传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值；所述敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于80nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约6μm，直径约60nm。根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于气致变色功能的氢气传感器的制备方法，优选地，所述氢气传感器的敏感单元的制作包括以下步骤：S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3MHCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8gZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。本申请的实施例提供的技术方案包括以下有益效果：1.结构方面，创造性的采用双层膜结构，结合了氧化钨材料的气敏特性和气致变色特性，增大了器件的应用范围；2.氧化钨气敏薄膜基于薄膜型电阻传感器，薄膜通过磁控溅射方法制作，制作过程中通过控制氧分压与掺杂氧化锡，使得薄膜对NO2的选择性与灵敏度均大大提高；3.氧化钨气致变色薄膜为氧化钨纳米线掺杂四苯基卟啉锌衍生物(ZnTPP-2-NO2)材料，该掺杂材料作为催化剂，大大提高了氧化钨纳米线对H2的反应活性，提高了灵敏度，并且实现了对氢气的“可视嗅觉”测量。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1是本专利技术采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。图2是制备图1中的敏感单元的流程图。其中：1-石英玻璃基底，2-叉指电极层，3-WO3气敏薄膜层，4-中空结构，5-WO3气致变色层。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本专利技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本专利技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不只是所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于气致变色功能的氢气传感器，其特征在于，所述氢气传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述氢气传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值；所述敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP‑2‑NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔；A面中，所述SnO2的颗粒度小于80nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约6μm，直径约60nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于气致变色功能的氢气传感器，其特征在于，所述氢气传
感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述氢气传感器包括敏感
单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单
元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加
热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气
体的浓度值；所述敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面
结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周
边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏
薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体
的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色
层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对
氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透
气孔；A面中，所述SnO2的颗粒度小于80nm，所述WO3气敏薄膜层厚
度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约6μm，直径约60nm。
2.制备权利要求1所述的一种基于气致变色功能的氢气传感器，其
特征在于，其中，所述氢气传感器的敏感单元的制作包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：
(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙
醇、去离子水超声清洗20min；
(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩
模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅
射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；
(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至...

【专利技术属性】
技术研发人员：林业城，
申请(专利权)人：林业城，
类型：发明
国别省市：浙江;33