[发明专利]一种光纤氢气传感器用氢敏材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氢气传感器，特别是涉及一种光纤氢气传感器用氢敏材料及其制备方法。

背景技术

氢气作为一种清洁高效的可再生性能源，已广泛应用于飞行器、车辆和船舶等的助推装置中，被称为21世纪能源体系的支柱。除了能源领域，氢气还在高纯度硅晶体生产、含氢成分化工产品生产、玻璃生产、石油提炼、金属焊接、低温冷却和化学合成等领域得到了广泛应用。但氢气本身又是一种易燃易爆气体，在常温常压下，当空气中氢气的含量位于4％-74.5％之间时，就有可能引起爆炸事故，威胁人身财产安全。因此，对氢气在生产、存储、运输和使用过程中的泄漏检测就显得尤为重要。研究一种安全、可靠、灵敏度高的氢气传感器具有十分重要的意义。光纤传感器以其特有的安全性，稳定性，抗干扰性，一直来时都是氢气检测时的首选传感器。影响光纤氢气传感器的最重要因素就是其中的氢敏材料。这种材料要求对氢气的选择性强、抗氢脆效果好、响应时间快、灵敏度高、漂移量小、稳定性好、经济性好。

目前，光纤氢气传感器用氢敏材料主要是纯钯及钯合金薄膜。纯钯膜对氢气反应十分敏感。但是，在通入氢气几次之后，容易出现氢脆现象，发生起泡、破裂和脱落，这主要是纯钯膜在氢气作用下发生了从α到β的相变[K.Kalli，A.Othonos and C.Christofides，Characterization of reflectivity inversion，α-and β-phase transitions and nanostructure formation in hydrogen activated thin Pd films on silicon based substrates，journal of applied physics，2002，(91)：3829-3840]。纯钯膜除了氢脆之外漂移明显，很难完成对氢气传感器的标定。在钯中参入一定量的银，可以有效地抑制钯膜从α到β的相变，从而防止钯膜破裂和脱落[Hu JD，Jiang M，Lin ZL，Novel technology for depositing a Pd-Ag alloy film on a tapered optical fibre for hydrogen sensing，journal of optics a-pure and applied optics，2005，(10)：593-598]，但是这种钯/银合金膜也存在着漂移现象。钯/金合金膜，大大抑制了传感器的零点漂移。钯/金膜的零点漂移在0.5％以内，远小于纯钯。但是这种膜响应时间较慢，约为3分钟，信号灵敏度很低，通入4％的氢气，其折射率仅有千分之5的变化[Donato Luna-Moreno，David Monzon-Hernandez，Joel Villatoro，et al.Opotical fiber hydrogen senor based on core diameter mismatch and annealed Pd-Au thin films，Sensors and Actuators B，2007，125：66-71]，限制了其在高精度氢气传感器方面的应用。钯/三氧化钨复合膜水蒸气等抗干扰性较强，但是也存在漂移和氢脆现象[Minghong Yang，Yan Sun，Dongsheng Zhang，et al.Using Pd/WO3 composite thin films as sensing materials for optical fiber hydrogen sensors，Sensors and Actuators B，2010，143(2)：750-753]。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供一种对氢气选择性强、抗氢脆效果好、响应时间快、灵敏度高、漂移量小、稳定性好、经济性好的氢气传感器用氢敏薄膜材料；本发明的另一目的在于提供一种氢气传感器用氢敏薄膜材料的制备方法。

本发明提供的一种光纤氢气传感器用氢敏材料，其特征在于，该薄膜材料包括基底和合金薄膜；

所述的基底的材料为金属、半导体或绝缘体材料；

所述的合金薄膜材料基本成分为Pd和Y，化学组成为Pd_[1-x-y]Y_[x]α_[y]，其中α为Pt、Ag、Au、Ni、Cu、Al、Li和B中的任一种，或者为La、Ru、Ce、Pr、Nd和Pm中的至少一种，0＜x≤0.3，0≤y≤0.3；

所述的合金薄膜材料厚度2～1000nm。