專利名稱：一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納器件及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，氫敏傳感器可分為光學(xué)型和電特性型兩種。其中，光學(xué)型氫敏傳感器利用氫化材料薄膜在吸氫后的光學(xué)特性變化實現(xiàn)氫氣的檢測。該類傳感器具有安全性強，靈敏度高的優(yōu)點，不足之處在于測試系統(tǒng)復(fù)雜、響應(yīng)慢、不易操作控制，且壽命較短。較之光學(xué)型氫敏傳感器，電特性型氫傳感器的檢測原理極為簡單，是將氫氣在電極上的催化反應(yīng)狀態(tài)以電信號的形式表現(xiàn)出來，從而得到氫氣體積分數(shù)。電特性型氫傳感器具有操作簡單、易于實現(xiàn)微型化和集成化、可在無需維護的情況下長期使用的優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的電特性檢測方式也存在響應(yīng)信號小，靈敏度低，抗干擾能力差等缺點。因此，在保持微型化、易用性等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，如何進一步提高信號強度及抗干擾能力成為電特性型氫傳感器研究過程中的尚待解決重要技術(shù)難題。目前，國內(nèi)外學(xué)者對電特性型氫敏傳感器的研究工作大都處于材料特性和器件物理的范疇，集中在氫敏材料的化學(xué)組分、結(jié)合性能以及相關(guān)氫敏材料合金的制備方面，實際上，電特性型氫敏傳感器的性能不但受材料特性影響，還與傳感器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。國際上有學(xué)者對納米結(jié)構(gòu)化的氫敏傳感器進行了初步的探索。2001年Favier等人報道了一種聚合物薄膜支撐Pd納米線結(jié)構(gòu)制備的氫敏傳感器，該傳感器的原理如下當(dāng)氫氣被吸附到晶格中時，Pd納米顆粒形成PdHx，體積膨脹，從而使原來在單根納米線軸線方向存在的斷鍵數(shù)目減少，導(dǎo)致傳感器電阻下降，電流上升；當(dāng)傳感器再次暴露在空氣中時，氫氣從PdHx納米顆粒中逸出，顆粒體積縮小，斷健重新出現(xiàn)，導(dǎo)致傳感器電阻上升，電流下降。研究表明，這種納米線傳感器的性能較常規(guī)薄膜傳感器有很大程度的提高。其不足之處在于納米線結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度和測量范圍取決于納米線中的斷鍵結(jié)構(gòu)尺度，即納米顆粒間的間隙，而斷鍵的結(jié)構(gòu)的尺度和數(shù)目取決于薄膜制備過程，不能靈活調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致這種納米線傳感器的檢測性能有限。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，解決了傳感器的靈敏度和測量范圍靈活控制的問題。為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，包括剛性基材1，在剛性基材1表面依次制備柔性材料2、過渡層3、Pd材料納米縫電極4，Pd材料納米縫電極4具有陣列化排列的特性，Pd材料納米縫電極4至少包含兩種以上不同的平面電極間隙5，平面電極間隙5 為納米級，平面電極間隙5的寬度值符合等差數(shù)列，且間隙差值等于Pd材料納米縫電極4 的最小寬度，最小寬度處于5-50nm，每種相同寬度的Pd材料納米縫電極4至少包含兩個以上，間隙寬度相同的Pd材料納米縫電極4并聯(lián)起來，形成并聯(lián)電極組，構(gòu)成一組氫氣檢測回路。所述的剛性基材1采用玻璃或硅片。所述的柔性材料2采用SiO2或高分子聚合物材料。所述的過渡層3采用Cr或Ti。發(fā)明利用小尺度的納米縫提高傳感器的靈敏度，利用大尺度納米縫提高傳感器的測量范圍，解決傳統(tǒng)氫傳感器無法同時兼顧靈敏度和測量范圍的難題。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2為本發(fā)明的Pd材料納米縫電極4陣列化排列實例圖。圖3為本發(fā)明吸氫后的結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，包括剛性基材1，參照圖1，在剛性基材1表面依次制備柔性材料2、過渡層3、Pd材料納米縫電極4，形成“剛性基材1-柔性材料2-過渡層3-Pd材料平面電極4”的四層結(jié)構(gòu)。Pd材料納米縫電極4具有陣列化排列的特性，Pd材料納米縫電極4至少包含兩種以上不同的平面電極間隙5，平面電極間隙5為納米級，平面電極間隙5用于檢測含氫氣6 條件下電特性的變化，平面電極間隙5的寬度值符合等差數(shù)列，且間隙差值等于Pd材料納米縫電極4的最小寬度，最小寬度處于5-50nm，每種相同寬度的Pd材料納米縫電極4至少包含兩個以上，間隙寬度相同的Pd材料納米縫電極4并聯(lián)起來，形成并聯(lián)電極組，構(gòu)成一組氫氣檢測回路。參照圖2，以5X3陣列的平面電極傳感器結(jié)構(gòu)為例，第一組Pd材料納米縫電極10、11、12、13、14具有相同的第一平面電極間隙7，第二組Pd材料納米縫電極15、16、 17、18、19具有相同的第二平面電極間隙8，第三組Pd材料納米縫電極20、21、22、23、24具有相同的第三平面電極間隙9，其中第一平面電極間隙7的寬度最小，第二平面電極間隙8 與第一平面電極間隙7之間的差值以及第三平面電極間隙9與第二平面電極間隙8之間的差值都等于第一平面電極間隙7的寬度值。第一組Pd材料納米縫電極10、11、12、13、14通過引線25和引線26并聯(lián)起來，并和檢測裝置29構(gòu)成氫氣檢測回路32，第二組Pd材料納米縫電極15、16、17、18、19通過引線26和引線27并聯(lián)起來，并和檢測裝置30構(gòu)成氫氣檢測回路33，第三組Pd材料納米縫電極20、21、22、23、24通過引線27和引線28并聯(lián)起來，并和檢測裝置31構(gòu)成氫氣檢測回路34。所述的剛性基材1采用玻璃或硅片，用于實現(xiàn)傳感器整體的支撐。所述的柔性材料2采用SiO2或高分子聚合物材料，用于保證Pd材料在吸氫后的伸縮特性。所述的過渡層3采用Cr或Ti，用于提高Pd材料在柔性材料3表面的粘結(jié)強度。本發(fā)明的工作原理為參照圖3，Pd材料納米縫電極4吸氫后，平面電極的間隙5的尺寸降低，使得平面電極的電特性改變。氫氣檢測過程中，Pd材料納米縫電極4間隙最小的氫氣檢測回路首先開始工作，當(dāng)該氫氣檢測回路的檢測電流達到最大值時，Pd材料納米縫電極4間隙第二小的氫氣檢測回路開始工作，當(dāng)該氫氣檢測回路的檢測電流達到最大值時，Pd材料納米縫電極4間隙第三小的氫氣檢測回路開始工作，以此類推，直至在某級氫氣檢測回路中檢測電流小于最大值且趨于穩(wěn)定，此時氫氣濃度由檢測的電流值和該檢測值所采用的氫氣檢測回路共同決定，具體通過氫氣濃度與Pd材料氫化膨脹導(dǎo)致的Pd材料納米縫電極4間隙減小及電特性變化之間的規(guī)律決定，該結(jié)構(gòu)化傳感器中，Pd材料納米縫電極4間隙最大的氫氣檢測回路決定傳感器所能檢測氫氣的最大濃度，參考圖2，檢測過程中，間隙最小的第一組 Pd材料平面電極10、11、12、13、14及引線25、引線26、檢測裝置29構(gòu)成的氫氣檢測回路32 首先開始工作，當(dāng)氫氣檢測回路32的檢測電流達到最大值時，間隙第二小的第二組Pd材料平面電極15、16、17、18、19及引線26、引線27、檢測裝置30構(gòu)成的氫氣檢測回路33開始工作，當(dāng)氫氣檢測回路33的檢測電流達到最大值時，間隙最大的第三組Pd材料平面電極20、 21、22、23、24及引線27、引線28、檢測裝置31構(gòu)成的氫氣檢測回路34開始工作，該傳感器所能檢測的最大氫氣濃度由氫氣檢測回路34決定，所檢測的氫氣濃度不能超過氫氣檢測回路34的最大值，檢測過程中，當(dāng)在氫氣檢測回路32、氫氣檢測回路33或氫氣檢測回路33 的某級氫氣檢測回路中檢測電流小于該回路最大值且趨于穩(wěn)定時，氫氣濃度便可以通過檢測的電流值和該檢測值所采用的氫氣檢測回路決定，具體通過氫氣濃度與Pd材料氫化膨脹導(dǎo)致的Pd平面電極間隙減小及電特性的變化之間規(guī)律決定。
權(quán)利要求
1.一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，包括剛性基材(1)，其特征在于在剛性基材(1)表面依次制備柔性材料(2)、過渡層(3)、Pd材料納米縫電極(4)，Pd材料納米縫電極(4)具有陣列化排列的特性，Pd材料納米縫電極(4)至少包含兩種以上不同的平面電極間隙(5)，平面電極間隙(5)為納米級，平面電極間隙(5)的寬度值符合等差數(shù)列，且間隙差值等于Pd材料納米縫電極(4)的最小寬度，最小寬度處于5-50nm，每種相同寬度的 Pd材料納米縫電極(4)至少包含兩個以上，間隙寬度相同的Pd材料納米縫電極(4)并聯(lián)起來，形成并聯(lián)電極組，構(gòu)成一組氫氣檢測回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的剛性基材(1)采用玻璃或硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的柔性材料(2)采用SiO2或高分子聚合物材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的過渡層⑶采用Cr或Ti。
全文摘要
一種用于氫氣檢測的陣列化氣敏傳感器結(jié)構(gòu)，在剛性基材表面依次制備柔性材料、過渡層、Pd材料納米縫電極，Pd材料納米縫電極具有陣列化排列的特性，Pd材料納米縫電極至少包含兩種以上不同的平面電極間隙，平面電極間隙的寬度值符合等差數(shù)列，且間隙差值等于Pd材料納米縫電極的最小寬度，間隙寬度相同的Pd材料納米縫電極并聯(lián)起來，構(gòu)成一組氫氣檢測回路，利用間隙寬度最小的Pd材料平面電極構(gòu)成氫氣檢測回路提高傳感器的靈敏度，利用利用間隙寬度最大的Pd材料平面電極構(gòu)成氫氣檢測回路提高傳感器的測量范圍，解決傳統(tǒng)氫傳感器無法同時兼顧靈敏度和測量范圍的難題。
文檔編號G01N27/00GK102313761SQ20111019315
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者丁玉成, 劉紅忠, 田洪淼, 繆林林, 邵金友, 黎相孟 申請人:西安交通大學(xué)