一种固态隔膜及其制备方法和设有其的气体传感器技术

本发明专利技术涉及传感器及其部件的技术领域，公开了一种固态隔膜，包括衬底和贵金属层，所述贵金属层交替复合在衬底上，所述贵金属层包括至少两种由单一贵金属原子组成的贵金属原子层；所述贵金属原子层通过原子层层积技术沉积于衬底上，形成上、下层叠且紧密结合的贵金属层，相邻两个材质不同的贵金属原子层保持各自原有的贵金属特性。本发明专利技术通过原子层沉积技术实现贵金属催化层的形成，其制备的贵金属层结构厚度可控，不影响气体的透过率，且催化活性极高，响应速度快，同时贵金属层在衬底上的附着优良，能在长期高温环境和高浓度电解液下测试，且催化活性保持不变，大幅提高了传感器的使用稳定性，延长了使用寿命。延长了使用寿命。延长了使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种固态隔膜及其制备方法和设有其的气体传感器


[0001]本专利技术涉及传感器及其部件的
，更具体地，涉及一种固态隔膜及其制备方法和设有其的气体传感器。

技术介绍

[0002]气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将气体种类和浓度有关的信息转换成可测量的信号。
[0003]而电化学气体传感器是在电极处把待测量气体氧化或还原而测电流，得出气体浓度的探测器。其工作原理为：通过与待测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。通过电极间连接的电阻器，与待测气体浓度成正比的电流会在正负极间流动，测定该电流即可确定气体浓度。
[0004]氧气传感器属于电化学气体传感器的其中一种，主要用于氧气的含量检测。现有的氧气传感器主要分为毛细管式氧气传感器和固态隔膜式氧气传感器，毛细管式氧气传感器主要测量氧气的浓度，而固态隔膜式氧气传感器主要测量氧气的分压。
[0005]其中，毛细管式氧气传感器主要测量氧气的浓度。但是，毛细管式氧气传感器对所需测量的氧气浓度的范围有一定的要求，在氧气浓度为0
‑
30％时，氧气浓度与电池信号输出呈线性关系，但当氧气浓度高于30％时会出现偏差，给测量带来困难。
[0006]而固态隔膜式气体传感器主要测量氧气的分压。其需要使氧气分子分散之后才能进入传感器，因此，氧气进入工作电极的流量由通过固态隔膜的氧气的分压决定。即传感器的输出信号与混合气体中氧气的分压成线性关系，因此，固态隔膜式氧气传感器对氧气浓度不限，其可以测量0
>‑
100％范围内的氧气，适用范围更广。
[0007]但是，固态隔膜对气体的阻隔作用远超于毛细管，因此，如何提高固态隔膜的高催化活性，对确保传感器的长期稳定性和低漂移水平显得尤其重要。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种固态隔膜，用于解决固态隔膜对气体的阻隔问题，达到高催化活性的效果。
[0009]本专利技术还公开了一种固态隔膜的制备方法，该制备方法获得的固态隔膜具有高催化活性的作用。
[0010]本专利技术还公开了一种设有该固态隔膜的气体传感器。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案是：
[0012]一种固态隔膜，包括衬底和贵金属层，所述贵金属层交替复合在衬底上，所述贵金属层包括至少两种由单一贵金属原子组成的贵金属原子层；所述贵金属原子层通过原子层层积技术沉积于衬底上，形成上、下层叠且紧密结合的贵金属层，相邻两个材质不同的贵金属原子层保持各自原有的贵金属特性。
[0013]本技术方案中，衬底的主要作用是允许待测气体通入，而贵金属层既是在衬底上
作为电极材料，同时也是作为待测气体反应的催化剂，具有高催化活性的作用。采用原子层沉积技术生长贵金属层，获得的贵金属层厚度可控，既不会影响待测气体的通过率，且催化活性高，适用范围广，可以长期适用于高温环境和高浓度电解液中，保持催化活性不变，稳定性高，更符合用户所需。
[0014]进一步地，所述衬底为含氟隔膜，具有耐腐蚀的特性。
[0015]进一步地，本技术方案的固态隔膜可以用于氧气传感器中，允许氧气通入，以对氧气浓度进行检测。
[0016]在其中一个实施例中，所述贵金属层至少包括由铂原子形成的铂原子层和由银原子形成的银原子层。
[0017]通过至少两种材质不同的贵金属原子层，可以增加贵金属层的多孔结构，增大待测气体与电极材料的接触面积；且两种贵金属原子层相互之间也可以互补缺陷，提高催化活性和稳定性。
[0018]进一步地，所述两种贵金属原子层在衬底上的层数不限。
[0019]优选地，所述贵金属层的最外层为铂原子层，最内层为银原子层。
[0020]由于银的催化效率高，但稳定性较铂低，通过将两者交替沉积，可以兼顾催化活性和稳定性。优选地，所述贵金属层包括从下到上依次交替复合生长的第一银原子层、第一铂原子层、第二银原子层和第二铂原子层。
[0021]在其中一个实施例中，所述贵金属层包括循环且依次设置的铂原子层、银原子层、金原子层和钯原子层。
[0022]进一步地，所述贵金属层的最外层为钯原子层，最内层为银原子层。
[0023]在其中一个实施例中，所述贵金属层至少包括三种材质不同的贵金属原子层，且最外层和最内层的两种贵金属原子层厚度一致，且最外层和最内层的贵金属原子层厚度大于中间各贵金属原子层的厚度。
[0024]在其中一个实施例中，所述贵金属层的最外层和最内层的贵金属原子层厚度为40
‑
60nm；所述贵金属层的中间各层的贵金属原子层厚度为10
‑
30nm。
[0025]优选地，所述贵金属层的最外层和最内层的贵金属原子层厚度为50nm；所述贵金属层的中间各层的贵金属原子层厚度为20nm。
[0026]一种固态隔膜的制备方法，包括用于作为衬底的衬底材料和用于作为贵金属层的贵金属源前驱体，所述贵金属源前驱体采用原子层沉积技术生长于衬底上，在等离子体作用下，形成贵金属单质，所述制备方法包括以下制备步骤：
[0027]S1：将衬底材料平整地铺覆在原子层沉积的腔室内部；
[0028]S2：往腔室内通入等离子体，通入时长为2
‑
4min；
[0029]S3：对腔室内部抽真空，直到腔室内部的真空度达到设定要求后，停止抽真空；
[0030]S4：通入预先进行加热后的贵金属源前驱体进行自限制生长，并通入惰性气体交替吹扫衬底表面；
[0031]S5：往腔室内部通入与步骤S4所通入的贵金属源的前驱体对应的还原性气体，以对贵金属源前驱体进行还原，得到贵金属单质；
[0032]S6：重复步骤S4和S5，往腔室内部通入相同或不同的贵金属源前驱体，得到包括至少两种贵金属原子层的贵金属层。
[0033]本技术方案中，步骤S2中，等离子体的作用是改善贵金属层在衬底上的附着力。步骤S4中，自限制生长可以有效控制贵金属单质沉积的厚度，减小贵金属层的实际膜层厚度与设计值的偏差。一般其偏差值可以控制在几个纳米的范围内。步骤S4中，所述惰性气体可以为氮气或其他惰性气体，主要作用为将多余的反应物带走，保证每次生长厚度在一个原子层。步骤S5中，还原性气体可以为氢气等。步骤S6中，所获得的贵金属层中，所交替生长的贵金属单质层数不限，种类不限。
[0034]在其中一个实施例中，步骤S4中，所述贵金属源前驱体包括金的前驱体源、银的前驱体源、钯的前驱体源、铂的前驱体源的一种或多种；步骤S6中，相继往腔室内部通入的前一种贵金属源前驱体与后一种贵金属源前驱体不同。
[0035]优选地，所述金的前驱体源为四氯金酸三水合物；所述银的前驱体源为三氟甲烷磺酸银；所述钯的前驱体源为六氟乙酰丙酮；所述铂的前驱体源为三甲基甲基环戊二烯。
[0036]步骤S6中，不同的贵金属源前驱体可以获得不同的贵金属单质，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态隔膜，其特征在于，包括衬底和贵金属层，所述贵金属层交替复合在衬底上，所述贵金属层包括至少两种由单一贵金属原子组成的贵金属原子层；所述贵金属原子层通过原子层层积技术沉积于衬底上，形成上、下层叠且紧密结合的贵金属层，相邻两个材质不同的贵金属原子层保持各自原有的贵金属特性。2.根据权利要求1所述的一种固态隔膜，其特征在于，所述贵金属层至少包括由铂原子形成的铂原子层和由银原子形成的银原子层。3.根据权利要求1所述的一种固态隔膜，其特征在于，所述贵金属层包括循环且依次设置的铂原子层、银原子层、金原子层和钯原子层。4.根据权利要求1所述的一种固态隔膜，其特征在于，所述贵金属层至少包括三种材质不同的贵金属原子层，且最外层和最内层的两种贵金属原子层厚度一致，最外层和最内层的贵金属原子层厚度大于中间各贵金属原子层的厚度。5.根据权利要求4所述的一种固态隔膜，其特征在于，所述贵金属层的最外层和最内层的贵金属原子层厚度为40
‑
60nm；所述贵金属层的中间各层的贵金属原子层厚度为10
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30nm。6.一种固态隔膜的制备方法，其特征在于，包括用于作为衬底的衬底材料和用于作为贵金属层的贵金属源前驱体，所述贵金属源前驱体采用原子层沉积技术生长于衬底上，在等离子体作用下，形成贵金属单质，所述制备方法包括以下制备步骤：S1：将衬底材料平整地铺覆在原子层沉积的腔室内部；S2：往腔室内通入等离子体，通入时长为2
‑
4min；S3：对腔室内部抽真空，直到腔室内部的真空度达到设定要求后，停止抽真空；S4：通入预先进行加热后的贵金属源前驱体进行自限制生长，并通入惰性气体交替吹扫衬底表面；S5：往腔室内部通入与步骤S4所通入的贵金属源的前驱体对应的还原性气体，以对贵金属源前驱体进行还原，得到贵金属单质；S6：重复步骤S4和S5，往腔室内部通入相同或不同的贵金属源前驱体，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宾，赵罗恒，朱瑞，谢傲臻，张伟，
申请(专利权)人：广州奥松电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：