专利名称：一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构的制作方法
技术领域：
本发明属于微纳器件及传感器技术领域，具体涉及一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构。
背景技术：
目前，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，不足之处在于测试系统复杂、响应慢、不易操作控制，且寿命较短。较之光学型氢敏传感器，电特性型氢传感器的检测原理极为简单，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的优点。然而，传统的电特性检测方式也存在响应信号小，灵敏度低，抗干扰能力差等缺点。因此，在保持微型化、易用性等优点的基础上，如何进一步提高信号强度及抗干扰能力成为电特性型氢传感器研究过程中的尚待解决重要技术难题。目前，国内外学者对电特性型氢敏传感器的研究工作大都处于材料特性和器件物理的范畴，集中在氢敏材料的化学组分、结合性能以及相关氢敏材料合金的制备方面，实际上，电特性型氢敏传感器的性能不但受材料特性影响，还与传感器的结构有关。国际上有学者对纳米结构化的氢敏传感器进行了初步的探索。2001年Favier等人报道了一种聚合物薄膜支撑Pd纳米线结构制备的氢敏传感器，该传感器的原理如下当氢气被吸附到晶格中时，Pd纳米颗粒形成PdHx，体积膨胀，从而使原来在单根纳米线轴线方向存在的断键数目减少，导致传感器电阻下降，电流上升；当传感器再次暴露在空气中时，氢气从PdHx纳米颗粒中逸出，颗粒体积缩小，断健重新出现，导致传感器电阻上升，电流下降。研究表明，这种纳米线传感器的性能较常规薄膜传感器有很大程度的提高。其不足之处在于纳米线结构传感器的灵敏度和测量范围取决于纳米线中的断键结构尺度，即纳米颗粒间的间隙，而断键的结构的尺度和数目取决于薄膜制备过程，不能灵活调节，从而导致这种纳米线传感器的检测性能有限。

发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，解决了传感器的灵敏度和测量范围灵活控制的问题。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，包括刚性基材1，在刚性基材1表面依次制备柔性材料2、过渡层3、Pd材料纳米缝电极4，Pd材料纳米缝电极4具有阵列化排列的特性，Pd材料纳米缝电极4至少包含两种以上不同的平面电极间隙5，平面电极间隙5 为纳米级，平面电极间隙5的宽度值符合等差数列，且间隙差值等于Pd材料纳米缝电极4 的最小宽度，最小宽度处于5-50nm，每种相同宽度的Pd材料纳米缝电极4至少包含两个以上，间隙宽度相同的Pd材料纳米缝电极4并联起来，形成并联电极组，构成一组氢气检测回路。所述的刚性基材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。所述的过渡层3采用Cr或Ti。发明利用小尺度的纳米缝提高传感器的灵敏度，利用大尺度纳米缝提高传感器的测量范围，解决传统氢传感器无法同时兼顾灵敏度和测量范围的难题。


图1为本发明的结构剖视图。图2为本发明的Pd材料纳米缝电极4阵列化排列实例图。图3为本发明吸氢后的结构剖视图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，包括刚性基材1，参照图1，在刚性基材1表面依次制备柔性材料2、过渡层3、Pd材料纳米缝电极4，形成“刚性基材1-柔性材料2-过渡层3-Pd材料平面电极4”的四层结构。Pd材料纳米缝电极4具有阵列化排列的特性，Pd材料纳米缝电极4至少包含两种以上不同的平面电极间隙5，平面电极间隙5为纳米级，平面电极间隙5用于检测含氢气6 条件下电特性的变化，平面电极间隙5的宽度值符合等差数列，且间隙差值等于Pd材料纳米缝电极4的最小宽度，最小宽度处于5-50nm，每种相同宽度的Pd材料纳米缝电极4至少包含两个以上，间隙宽度相同的Pd材料纳米缝电极4并联起来，形成并联电极组，构成一组氢气检测回路。参照图2，以5X3阵列的平面电极传感器结构为例，第一组Pd材料纳米缝电极10、11、12、13、14具有相同的第一平面电极间隙7，第二组Pd材料纳米缝电极15、16、 17、18、19具有相同的第二平面电极间隙8，第三组Pd材料纳米缝电极20、21、22、23、24具有相同的第三平面电极间隙9，其中第一平面电极间隙7的宽度最小，第二平面电极间隙8 与第一平面电极间隙7之间的差值以及第三平面电极间隙9与第二平面电极间隙8之间的差值都等于第一平面电极间隙7的宽度值。第一组Pd材料纳米缝电极10、11、12、13、14通过引线25和引线26并联起来，并和检测装置29构成氢气检测回路32，第二组Pd材料纳米缝电极15、16、17、18、19通过引线26和引线27并联起来，并和检测装置30构成氢气检测回路33，第三组Pd材料纳米缝电极20、21、22、23、24通过引线27和引线28并联起来，并和检测装置31构成氢气检测回路34。所述的刚性基材1采用玻璃或硅片，用于实现传感器整体的支撑。所述的柔性材料2采用SiO2或高分子聚合物材料，用于保证Pd材料在吸氢后的伸缩特性。所述的过渡层3采用Cr或Ti，用于提高Pd材料在柔性材料3表面的粘结强度。本发明的工作原理为参照图3，Pd材料纳米缝电极4吸氢后，平面电极的间隙5的尺寸降低，使得平面电极的电特性改变。氢气检测过程中，Pd材料纳米缝电极4间隙最小的氢气检测回路首先开始工作，当该氢气检测回路的检测电流达到最大值时，Pd材料纳米缝电极4间隙第二小的氢气检测回路开始工作，当该氢气检测回路的检测电流达到最大值时，Pd材料纳米缝电极4间隙第三小的氢气检测回路开始工作，以此类推，直至在某级氢气检测回路中检测电流小于最大值且趋于稳定，此时氢气浓度由检测的电流值和该检测值所采用的氢气检测回路共同决定，具体通过氢气浓度与Pd材料氢化膨胀导致的Pd材料纳米缝电极4间隙减小及电特性变化之间的规律决定，该结构化传感器中，Pd材料纳米缝电极4间隙最大的氢气检测回路决定传感器所能检测氢气的最大浓度，参考图2，检测过程中，间隙最小的第一组 Pd材料平面电极10、11、12、13、14及引线25、引线26、检测装置29构成的氢气检测回路32 首先开始工作，当氢气检测回路32的检测电流达到最大值时，间隙第二小的第二组Pd材料平面电极15、16、17、18、19及引线26、引线27、检测装置30构成的氢气检测回路33开始工作，当氢气检测回路33的检测电流达到最大值时，间隙最大的第三组Pd材料平面电极20、 21、22、23、24及引线27、引线28、检测装置31构成的氢气检测回路34开始工作，该传感器所能检测的最大氢气浓度由氢气检测回路34决定，所检测的氢气浓度不能超过氢气检测回路34的最大值，检测过程中，当在氢气检测回路32、氢气检测回路33或氢气检测回路33 的某级氢气检测回路中检测电流小于该回路最大值且趋于稳定时，氢气浓度便可以通过检测的电流值和该检测值所采用的氢气检测回路决定，具体通过氢气浓度与Pd材料氢化膨胀导致的Pd平面电极间隙减小及电特性的变化之间规律决定。
权利要求
1.一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，包括刚性基材(1)，其特征在于在刚性基材(1)表面依次制备柔性材料(2)、过渡层(3)、Pd材料纳米缝电极(4)，Pd材料纳米缝电极(4)具有阵列化排列的特性，Pd材料纳米缝电极(4)至少包含两种以上不同的平面电极间隙(5)，平面电极间隙(5)为纳米级，平面电极间隙(5)的宽度值符合等差数列，且间隙差值等于Pd材料纳米缝电极(4)的最小宽度，最小宽度处于5-50nm，每种相同宽度的 Pd材料纳米缝电极(4)至少包含两个以上，间隙宽度相同的Pd材料纳米缝电极(4)并联起来，形成并联电极组，构成一组氢气检测回路。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，其特征在于 所述的刚性基材(1)采用玻璃或硅片。
3.根据权利要求1所述的一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，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.根据权利要求1所述的一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，其特征在于 所述的过渡层⑶采用Cr或Ti。
全文摘要
一种用于氢气检测的阵列化气敏传感器结构，在刚性基材表面依次制备柔性材料、过渡层、Pd材料纳米缝电极，Pd材料纳米缝电极具有阵列化排列的特性，Pd材料纳米缝电极至少包含两种以上不同的平面电极间隙，平面电极间隙的宽度值符合等差数列，且间隙差值等于Pd材料纳米缝电极的最小宽度，间隙宽度相同的Pd材料纳米缝电极并联起来，构成一组氢气检测回路，利用间隙宽度最小的Pd材料平面电极构成氢气检测回路提高传感器的灵敏度，利用利用间隙宽度最大的Pd材料平面电极构成氢气检测回路提高传感器的测量范围，解决传统氢传感器无法同时兼顾灵敏度和测量范围的难题。
文档编号G01N27/00GK102313761SQ20111019315
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者丁玉成, 刘红忠, 田洪淼, 缪林林, 邵金友, 黎相孟 申请人:西安交通大学