[发明专利]基于负载质量和电导率协同作用的声表面波氢气传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于负载质量和电导率协同作用的声表面波氢气传感器及其制备方法，传感器包括LiNbO₃压电基底、叉指换能器、敏感层和外部电路，敏感层设置在LiNbO₃压电基底的表面中部，在敏感层的两端各设置一个叉指换能器，一个叉指换能器通过逆压电效应在LiNbO₃压电基底上激发出瑞利波，瑞利波通过LiNbO₃压电基底的表面传输至另一个叉指换能器并通过压电效应重新转化为电信号；敏感层为Pt/RGO复合敏感层，其中Pt作为催化剂。本发明以Pt/RGO为敏感层，且吸附氢气导致负载质量增加和电导率变化产生了协同效应来共同实现对氢气高灵敏度的传感，可用于室温下痕量氢气的检测，提高了传感器对氢气的灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种基于负载质量和电导率协同作用的声表面波氢气传感器及其制备方法，属于精密传感器技术。

背景技术

超声传感器主要由压电基底和基底上沉积的敏感层组成，由于具有灵敏度高、检测极限低、体积小、功耗低、集成度高等优点，在气体传感领域得到了广泛的研究。氢气作为一种清洁的可再生能源，具有易燃易爆和难以储存的问题，对痕量氢气的检测是一个非常重要的课题。

当前大多数氢气传感器对氢气的响应基于敏感层对氢气的吸附作用，但是这些传感器容易受到工作温度的影响。由于H₂吸附力弱，质量较低，随着温度的降低，灵敏度明显降低。因此，提高在室温下工作的氢传感器的灵敏度是一个挑战。为了提高性能，用于检测H₂的超声波传感器最初设计用于在高温下工作，WO₃、InO_x、SnO₂等金属氧化物是比较常用的敏感层材料，一般工作温度在100～200℃，在浓度为1％的氢气中，中心频率发生100kHz至700kHz。后来研究了工作温度处于室温的超声波氢气传感器，但是，与其他基于吸附机理的氢气传感器类似，由于室温下氢气与敏感层之间的反应较弱，使得超声波传感器的灵敏度降低。例如，基于Pt改性InOx和WO₃敏感层的瑞利波传感器在1％H₂中表现出20kHz和72kHz的灵敏度。但是，进一步提高超声H₂传感器在室温下工作的灵敏度非常难。

近年来，一种新型材料石墨烯因其独特的特性引起了人们的广泛关注。石墨烯由于比表面积大、载流子迁移率高、约翰逊噪声低，是一种很好的检测H₂的敏感材料。一方面，石墨烯具有良好的电学性能，大多数采用类石墨烯敏感层的H₂传感器的传感工作主要利用类石墨烯敏感层吸附氢气导致的电导率变化；另一方面，有人也提出了采用类石墨烯敏感层的超声H₂传感器。采用Pd作为催化剂，室温下对混合在空气中的1％H₂的灵敏度从5.8kHz提高到30kHz。对比发现，使用类石墨烯敏感层的超声波H₂传感器与基于金属氧化物和其他纳米薄膜的敏感层相比，表现出了更出色的敏感性。

声表面波传感器检测原理是，当敏感层吸附氢气时，改变了声表面波在传感器基底上的传播速度和传播损耗，通过测量传感器中心频率的偏移或插入损耗，就可以检测到氢气浓度。由于超声波传感器工作频率高，频率从几兆赫兹到上千兆赫兹，因此中心频率和传输损耗对吸附物非常敏感，而且工作频率越高，灵敏度越高。

敏感层吸附物质后引起的负载质量增加和电导率变化是影响中心频率偏移的两个主要因素，但是氢气质量较低，引起的负载质量变化相对较小，因此电导率变化非常关键。研究发现利用Pt/RGO复合敏感层主要具有以下三点优势：

(1)Pt/RGO复合敏感层对H₂具有较强吸附力；

(2)Pt/RGO复合敏感层吸附H₂后：一方面，负载质量增加，降低中心频率；另一方面，敏感层电导率降低，导致中心频率下降，两者偏移产生了协同效应；