一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器及其制备方法，包括干燥单元、传感单元及外电路；传感单元包括密封腔体以及设置在密封腔体内的传感组件，传感组件包括设置在密封腔体底部的绝缘衬底、设置在绝缘衬底上表面的钯团簇薄膜以及设置在钯团簇薄膜两端的两个导电微电极，密封腔体上设有两个接线端子，接线端子位于密封腔体内的一端与导电微电极通过导线连接，位于密封腔体外的一端与外电路通过导线连接；密封腔体与干燥单元连通，干燥单元上设有进气口。本发明专利技术采用由钯团簇组成的渗流导电薄膜，能够实时感应监测空气中氢气浓度的变化，具有灵敏度高、响应时间短的优势，并且在运行过程中无需加热，无需将氢气预先分离。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器及其制备方法
本专利技术涉及传感器领域，尤其是涉及一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器及其制备方法。
技术介绍
氢气具有高热值，无污染，生产方便等优点，作为一种新型能源备受人们的关注，此外，氢气在工农业生产、医疗、科学研究等领域也有着广泛的应用。但是，由于氢气无色无味，且易燃易爆，仅凭借人体知觉系统根本无法感知环境中氢气的存在。因此，安全用氢，成为了大规模推广使用氢能源的最终掣肘。开发可靠的氢气传感与报警装置，为用氢、涉氢行业提供有效的安全保障，是解决这一掣肘最为有效的途径。自然界中并不缺乏能够响应氢气的材料，例如，金属钯以及部分金属的氧化物。人们以这些氢敏材料为基础，设计了不同的感知结构，并通过电学，电化学，催化燃烧，光学等测量手段，开发了各式各类的氢气传感报警装置。其中，最常用的是以钯薄膜作为感应器件的氢气传感器。例如，在中国专利文献上公开的“一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器”，其公告号CN105510400B，从内向外依次包括P型硅基底、碳纳米管、金属钯薄膜和两个金属电极，其中所述碳纳米管的排布方式为分纵向和横向均匀排布，所述两金属电极均为条形且相互对称的设置在金属钯薄膜上表面。但此类传感器响应时间长，分辨率也较低；而将氢气通入电化学溶液，通过参比电极测量氢气的电化学反应信号的电化学类传感器尽管能够有效缩短响应时间，却只能维持一个非常狭窄的测量范围；另外，当部分金属氧化物作为氢敏材料时，氢气与材料表面的氧元素反应，可以改变材料的阻抗性质，不过，这类反应的发生需要外界加热；与之类似的，采用催化燃烧法测量的氢气传感器也都需要工作于200～300℃的高温环境中，在使用过程中存在一定的风险，且二者都存在选择性差的缺点；另外还有不少其他种类的氢气传感器仅对纯氢具备响应能力，处于空气环境中时，不能排除空气中其他气体的干扰，需要预先从空气中分离出氢气以供传感器后续量化测量。总体而言，现有的氢气传感技术往往存在着响应时间漫长、测量范围狭窄、选择性差、抗干扰差等缺陷，很难满足于各类用氢、涉氢、监氢场合的传感报警需求。
技术实现思路
本专利技术是为了克服现有技术中的氢气传感技术往往存在着响应时间漫长、测量范围狭窄、选择性差、抗干扰差等缺陷，很难满足于各类用氢、涉氢、监氢场合的传感报警需求的问题，提供一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器及其制备方法，采用由钯团簇组成的渗流导电薄膜，能够实时感应监测空气中氢气浓度的变化，具有灵敏度高、响应时间短的优势，并且在运行过程中无需加热，无需将氢气预先分离，可以直接应用于空气环境之中，适用于各类用氢、涉氢、监氢场合。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，包括干燥单元、传感单元及外电路；所述传感单元包括密封腔体以及设置在密封腔体内的传感组件，所述传感组件包括设置在密封腔体底部的绝缘衬底、设置在绝缘衬底上表面的钯团簇薄膜以及设置在钯团簇薄膜两端的两个导电微电极，所述密封腔体上设有两个接线端子，所述接线端子一端位于密封腔体内一端位于密封腔体外，位于密封腔体内的一端与导电微电极通过导线连接，位于密封腔体外的一端与外电路通过导线连接；所述密封腔体与干燥单元连通，所述干燥单元上设有进气口。作为优选，所述绝缘衬底的材料选自柔性或刚性的绝缘材料，绝缘衬底稳定的电阻率≥109Ω·m；所述柔性的绝缘材料选自聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；所述刚性的绝缘材料选自石英、玻璃、红宝石、蓝宝石、树脂以及具有氧化硅绝缘层的单晶硅片中的一种。作为优选，所述导电微电极的形状为叉指电极或螺旋电极，导电微电极的厚度为50nm～10μm，两个导电微电极间的距离为2～100μm。作为优选，所述导电微电极的材料选自金、银、铜、铁、铝及氧化铟锡中的一种。作为优选，所述钯团簇薄膜中钯团簇的直径分布为1～10nm，钯团簇之间的平均最近邻距离为0.5～5nm。作为优选，所述钯团簇薄膜的覆盖率为30～95％，钯团簇薄膜的电阻为50kΩ～1GΩ。作为优选，所述外电路中包括通过导线连接的电源、电信号测量装置及可以将测量的电信号转换成氢气浓度信号并可视化输出显示的可编程与可视化输出装置。作为优选，所述干燥单元包括干燥罐体和设置在干燥罐体内的干燥剂，所述干燥罐体上设有若干进气孔，干燥罐体与密封腔体连通。本专利技术还提供了一种上述氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)制备绝缘衬底；(2)在绝缘衬底表面印刷导电微电极；(3)在导电微电极之间沉积钯团簇薄膜；(4)将沉积好钯团簇薄膜的绝缘衬底置于密封腔体内，用导线分别将导电微电极与接线端子位于密封腔体内的一端连接，并用导线将接线端子位于密封腔体外的一端与外电路相连；(5)组装干燥单元，使干燥单元与密封腔体连通，得到组装完成的氢气传感器；(6)将组装完成的氢气传感器置于不同浓度的氢气环境当中，通过外电路记录不同浓度的氢气环境中，钯团簇薄膜的宏观电阻变化，拟合响应关系，并将其输入至外电路当中，完成氢气传感器的标定；(7)将标定后的氢气传感器置于待测的空气环境中，通过外电路对氢气浓度进行测定。作为优选，步骤(3)中钯团簇薄膜采用纳米印刷、物理气相沉积、化学气相沉积或嵌段自组装的方法沉积。本专利技术的氢气传感器中采用由小尺寸钯团簇组成的渗流导电薄膜，在钯团簇薄膜当中，电子在团簇之间的传输方式为量子化的隧穿跳跃，其隧穿的几率与团簇之间的隧道结内在性质呈现指数衰减关系，而隧道结内在性质直接由势垒填充物质、势垒介电常数、势垒几何尺寸等参数决定，所以团簇薄膜的宏观电阻对于团簇之间的填充物质种类、成分的微弱变化非常敏感。例如，在团簇之间填充一定的绝缘物质(如纯净水等)均能够大幅改变团簇薄膜的电阻。所以，本专利技术采用钯团簇薄膜作为敏感元件制造的氢气传感器，置于混有氢气的空气环境中时，混合气体经由干燥单元扩散进入传感单元中的密封腔体内部，干燥单元可以吸收混合气体中原有水蒸气，避免对于后续检测产生干扰。如图2所示，混合气体扩散进入密封腔体后，氢气分子与氧气分子被吸附于钯团簇表面，此时，通过外电路中的电源在导电微电极两侧施加偏压，在偏压的作用下薄膜中的钯团簇d电子被激发到更高能级，易于将氢分子与氧分子分别解离成活性氢原子和活性氧原子，之后催化合成水分子，产生的水分子属于纯净水，富集于钯团簇表面并填塞于团簇之间，使得电子传输的隧穿阻抗增强，钯团簇薄膜的宏观电阻上升。因此通过外电路中的电信号测量装置实时监测钯团簇薄膜的电阻变化，即可感知到空气环境中氢气浓度的变化。本专利技术中的氢气传感器能够实时感应监测空气中氢气浓度的变化，具有灵敏度高、响应时间短的优势，并且在运行过程中无需加热，无需将氢气预先分离，可以直接应用于空气环境之中，适用于各类用氢、涉氢、监氢场合。因此，本专利技术具有如下有益效果：(1)能够实时感应监测空气中氢气浓度的变化，具有灵敏度高、响应时间短的优势，对于用氢、涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，其特征是，包括干燥单元（7）、传感单元及外电路（6）；所述传感单元包括密封腔体（1）以及设置在密封腔体内的传感组件，所述传感组件包括设置在密封腔体底部的绝缘衬底（2）、设置在绝缘衬底上表面的钯团簇薄膜（3）以及设置在钯团簇薄膜两端的两个导电微电极（4），所述密封腔体上设有两个接线端子（5），所述接线端子一端位于密封腔体内一端位于密封腔体外，位于密封腔体内的一端与导电微电极通过导线连接，位于密封腔体外的一端与外电路通过导线连接；所述密封腔体与干燥单元连通，所述干燥单元上设有进气口。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，其特征是，包括干燥单元（7）、传感单元及外电路（6）；所述传感单元包括密封腔体（1）以及设置在密封腔体内的传感组件，所述传感组件包括设置在密封腔体底部的绝缘衬底（2）、设置在绝缘衬底上表面的钯团簇薄膜（3）以及设置在钯团簇薄膜两端的两个导电微电极（4），所述密封腔体上设有两个接线端子（5），所述接线端子一端位于密封腔体内一端位于密封腔体外，位于密封腔体内的一端与导电微电极通过导线连接，位于密封腔体外的一端与外电路通过导线连接；所述密封腔体与干燥单元连通，所述干燥单元上设有进气口。


2.根据权利要求1所述的一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，其特征是，所述绝缘衬底的材料选自柔性或刚性的绝缘材料，绝缘衬底稳定的电阻率≥109Ω•m；所述柔性的绝缘材料选自聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；所述刚性的绝缘材料选自石英、玻璃、红宝石、蓝宝石、树脂以及具有氧化硅绝缘层的单晶硅片中的一种。


3.根据权利要求1所述的一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，其特征是，所述导电微电极的形状为叉指电极或螺旋电极，导电微电极的厚度为50nm~10μm，两个导电微电极间的距离为2~100μm。


4.根据权利要求1或4所述的一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，其特征是，所述导电微电极的材料选自金、银、铜、铁、铝及氧化铟锡中的一种。


5.根据权利要求1所述的一种用于空气环境中的高灵敏氢气传感器，其特征是，所述钯团簇薄膜中钯团簇的直径分布为1~10nm，钯团簇之间的平均最近邻距离为0.5~5nm。


6.根据权利要求1或6...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，陈敏瑞，谢波，刘伊妮，王一涛，
申请(专利权)人：浙江工业大学，浙江固微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33