[发明专利]一种石墨烯微量氢气体传感器

说明书

一种用于检测微量氢气体含量的传感器，其特征在于该结构由硅基底层、多孔硅层、渗铂微粒催化层和石墨烯传感区构成。当硅基底层厚度为0.8‑1.2毫米，多孔硅层厚度为1.4‑1.6毫米，渗铂微粒催化层厚度为10‑14微米，石墨烯传感区宽度为0.8‑1.2毫米，石墨烯传感区面积为(0.8‑1.2)×5平方毫米时，在氢气体浓度0‑1000ppm变化范围内，该传感器电阻变化达到2.0Ω，平均灵敏度为15％。特别是硅基底层厚度为1.0毫米，多孔硅层厚度为1.5毫米，渗铂微粒催化层厚度为12微米，石墨烯传感区宽度为1.0毫米，石墨烯传感区面积为1×5平方毫米时，传感器电阻变化达到2.4Ω，平均灵敏度达到24％。

技术领域

本专利涉及传感器领域，特别是一种用于微量氢(H₂)气体含量检测的基于铂(Pt)催化的多孔硅掺杂石墨硅的气体传感器。

背景技术

近年来，随着科学技术的进步，各行各业对各种气体的探测检测，特别对易燃易爆、有毒有害气体的检测，均要求具有更高灵敏度、更高精度、更快速、更高效，这对气体传感器提出了更高的要求。

由于在国防科技、航空航天、工业生产、环境监测和国民安全等领域对气体传感器的灵敏度、精度、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。在常温常压下，氢气是一种易燃易爆，无色透明、无臭无味的气体，用途极为广泛。在空气中当H₂含量超过4％(体积)时，即形成爆炸性混合气体。同时，当H₂用于航空航天、石油化工或一些特殊科学实验中时，对密封性要求极为严格，H₂的任何泄漏均可能对整个系统造成致命影响，因此对H₂探测需要极高的灵敏度。对H₂气体的检测，传统的方法主要采用电化学原理法和金属氧化物氢气敏感材料检测法。金属氧化物氢气敏感材料检测法，存在工作温度高(200-400℃)，能耗高的缺陷；而电化学检测方法虽然灵敏度较高，可达ppm(百万分之一)级，但也存在体积大、不易集成、响应慢的局限。石墨烯具有导电性好、比表面积高的优良特性，其独特的二维结构使它在传感器领域具有巨大的应用前景。石墨烯超高的比表面积使它对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化，通过精确测量电阻的变化可以计算出被检测气体的浓度。基于石墨烯的传感器可用于气体、压力、光学等的分析检测，具有巨大的应用前景，有望发展为具有超高检测灵敏度的新型石墨烯传感器。目前，研究人员已经研发出了基于石墨烯的光电传感器、压力传感器、CO₂气体传感器等多种类型的传感器，而用于探测H₂，特别是微量H₂(ppm级)探测的传感器还有待进一步研究开发。

利用石墨烯比表面积高、电阻对接触气体变化敏感的特点，可设计基于石墨烯的H₂气体检查传感器。该类型传感器可以极大地提高对H₂气体探测的灵敏度，在H₂气体的精密检测分析中具有重要的应用前景。随着科技的不断进步，目前已可制作不同尺度的石墨烯产品。而基于Pt催化的多孔硅掺杂石墨硅的气体传感器结构可采用简易滴定法、电化学刻蚀法、金属辅助化学刻蚀法、离子束溅射法制作。据我们所知，目前没有人针对H₂给出基于Pt催化的多孔硅掺杂石墨硅的气体传感器。因此能够设计制作，并实现具有ppm级高灵敏度的H₂气体传感器，具有重要的实用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的基于Pt催化的多孔硅掺杂石墨烯的气体传感器，该装置可以精确测量H₂气体的含量值，在硅基底层厚度为0.8-1.2毫米，多孔硅层厚度为1.4-1.6毫米，渗Pt微粒催化层厚度为10-14微米，石墨烯传感区宽度为0.8-1.2毫米，石墨烯传感区面积为(0.8-1.2)×5平方毫米，该气体传感器电阻变化达到2.0Ω，平均灵敏度为15％。本发明的Pt催化的多孔硅掺杂石墨硅的气体传感器具有体积小、灵敏度高、性能稳定可靠、能耗低、可常温下工作的特点。