[发明专利]一种纳米机电氢气传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米机电氢气传感器及制备方法，氢气传感器包括衬底层、至少一层铁电层、金属纳米线、“裂结”、电极层，所述至少一层铁电层设置在所述衬底层上，所述金属纳米线形成在所述铁电层上，包括至少一根金属纳米线；所述“裂结”形成在所述金属纳米线上，每根金属纳米线包括至少一个“裂结”，第一电极层与所述金属纳米线接触，第二电极层与所述铁电层接触，并且这两电极层互相不接触。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其是涉及一种氢气传感器。

背景技术

我国是第一产氢大国，具有丰富的氢源基础。预计到2050年氢在我国终端能源体系占比至少达10％，广泛应用于交通、化工原料、工业、建筑等领域，成为我国能源战略的重要组成部分。

作为一种清洁、高效的二次能源，氢气具有易燃、易爆等特性。在室温与标准大气压下，当空气中氢气体积浓度达4％～75％时，氢气变得易燃且极易发生爆炸。因而研制出能灵敏探测氢气浓度的传感器尤为重要。

钯金属由于对氢气极为敏感而常作为氢气传感器的敏感媒介。当钯金属暴露于含氢气的环境中，氢分子会吸附于钯金属的表面，逐渐分解为氢原子，并渗透进钯金属内形成钯-氢化合物。由于钯-氢化合物许多性质，如导电性、晶格常数、折射率都与钯金属不同，并且由于钯金属对于氢气具有固有的选择性、快速的吸附速度、氢化物形成的可逆性，使得钯金属成为制作氢气传感器的良好材料。

纯钯纳米薄膜氢气传感器是通过将钯纳米薄膜溅射到硅衬底上获得的，其根据钯吸氢形成氢化物(PdH_x)后电阻上升的原理来探测氢气。而脆氢现象影响着纯钯纳米薄膜氢气传感器的重复使用。研究发现，利用不同种类的钯合金制作薄膜氢气传感器能够增强钯基氢气传感器的稳定性，例如Pd-Au和Pd-Ag。但是钯合金薄膜氢气传感器存在成本造价较高的问题。

研究发现纳米团簇形态的钯薄膜相比于一般的钯纳米薄膜在响应度和响应时间上都更加优秀。钯的纳米团簇形态减少了钯氢气传感器的滞回效应，但长时间暴露在氢气环境下并不能克服脆氢现象。

研究发现直径越小的表面越粗糙的钯纳米线具有更好的响应度和更低的相应时间。但其相对钯薄膜制备难度大、成品率低。而且长时间暴露在氢气环境下，其也不能克服脆氢现象。

因此，基于钯金属的现有技术中氢气传感器需要进一步的改进。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种寿命长且具有更好氢敏特性的纳米机电氢气传感器。

本发明公开的技术方案是：一种纳米机电氢气传感器，包括衬底层、至少一层铁电层、金属纳米线、“裂结”、电极层，所述至少一层铁电层设置在所述衬底层上，所述金属纳米线形成在所述铁电层上，包括至少一根金属纳米线；，所述“裂结”形成在所述金属纳米线上，每根金属纳米线包括至少一个“裂结”，第一电极层与所述金属纳米线接触，第二电极层与所述铁电层接触，并且这两电极层互相不接触。

所述“裂结”形成在所述金属纳米线上是指裂隙。

本发明的一个实施例中，所述衬底层为单晶硅层、钛酸锶层、云母层、蓝宝石层或玻璃。

本发明的一个实施例中，所述铁电层为铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT层、钛酸钡层、聚偏氟乙烯(PVDF)层、氧化铪层或掺杂氧化铪层。

本发明的一个实施例中，所述金属纳米线为具有氢敏特性的金属纳米线。

本发明的一个实施例中，所述金属纳米线为具有吸氢后体积膨胀的性质的金属钯纳米线。

本发明的一个实施例中，所述裂结的产生、位置、方向和大小都是可控的。

本发明的一个实施例中，所述电极层为金、银、铜、铂、镍或铟层。