[发明专利]基于纳米粒子自组装网状线结构的氢气传感器制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及基于纳米粒子自组装网状线结构的氢气传感器制造方法。

背景技术

随着现代工业的迅速发展,易燃、易爆、有毒等高危气体的使用在工业生产中已不可避免，并且由于气体本身的扩散性，高危气体在运输或者生产过程中一旦发生泄露，就将引发严重的火灾、中毒甚至爆炸事故，危害人体健康和公共安全。因此为保障高危气体在使用和运输中的安全，构建以高灵敏度传感器技术为核心的气体探测系统，提高易燃、易爆、有毒等工业气体泄露事故的早期发现能力是十分重要的。液态氢燃料作为航天器最主要的动力来源，是一种典型的可燃性气体，任何泄露都会导致及其严重的航天事故，所以有必要针对氢气浓度的探测开发新型的高灵敏度传感器。

由于光学型气体传感器需要复杂的测试系统并且测试数据需要人为分析，所以目前大多数氢气传感器都属于电特性型。相对于光学型气敏传感器，电特性型传感器的检测机理简单，是将目标待检测气体在气敏材料上的反应状态以电学信号的形式表现出来，从而获知待测气体的浓度指数。电特性型传感器易于实现小型化，具有操作简单、可在恶劣的环境下长期使用等优点。然而，由于受限于传感器自身的结构以及敏感材料的物理化学特性，传统的电特性传感方式也存在灵敏度低、响应时间长等缺点。

对于电特性型氢气传感器的制造，通常需要在电极对之间沉积一层氧化锡薄膜。这种氧化锡薄膜层可以通过不同的工艺方法比如溅射、脉冲激光沉积技术、化学气相沉积技术、溶胶-凝胶加工和电化学特种加工等来制造。

目前，有很多研究人员尝试通过对气敏材料进行掺杂改性来提高传感器检测性能,比如曾有人通过给氧化锡晶体薄膜中掺杂钯元素改善了材料对氢气检测的灵敏度。然而，真正让气敏检测性能有大幅增强的是在传感器构架中引入纳米技术。已有研究成果证实，制约传感器性能的材料特性可以通过材料的纳米结构化得到有效改善，并且敏感材料的纳米结构化可以获得常规体块材料无法超越的传感性能。

在众多的纳米材料传感器中，因为一维纳米结构传感器具有电子迁移的单向性、独特的量子效应、以及极高的表面积-体积比，其传感性能最佳。而一维纳米结构的研究中最为显著的就是一维纳米粒子线结构，所以本文中开发基于氧化锡纳米粒子自组装网状线结构的氢气传感器的制造方法。

在各种改进气敏传感器的制造方法中，感应电荷电动力学的方法最为简单和低廉，并且适于工业中高效和批量地生产气体传感器。目前在各种感应电荷电动力学现象中，介电泳技术是组装金属/半导体纳米粒子成为纳米团聚结构的最为有效的方法。在介电泳实验中，通过商业化的函数发生器与信号放大器的串联电路，将正弦振荡的交流电势信号施加在被微米尺度间隙所分离的一个电极对之间。由于固有电荷无法在时谐振振荡下受到有效的净电场力，这时主宰粒子运动的主要电动力学现象为介电泳。由于颗粒和流体电学属性的差异，自由电荷会诱导并积累在粒子表面。如果粒子的极化率高于周围流体媒介，粒子就会受到正介电泳力效应，即作用在界面电荷上的库伦力会将粒子搬运到电极的边缘来占据电场最强的区域，以达到系统的最小电能量配置。相反地，如果粒子极化低于媒介，负介电泳力效应就会将粒子排斥到流体媒介中，自组装就无法发生。

可见，如果想要得到氧化锡纳米粒子的有序纳米线自组装结构，必须使得氧化锡粒子极化高于媒介。当粒子的分散溶剂为电导率较低的蒸馏水时，且交流电信号振荡频率低于10MHz，类似于氧化锡的半导体纳米粒子通常下都会受到正介电泳力作用而在电极边缘发生自组装。这种介电泳组装的氧化锡纳米粒子线结构可以用于氢气的传感。

提高这种自组装结构对氢气检测的灵敏度的最简单的方法就是增加氢气和氧化锡纳米粒子线的接触面积，这通常需要通过增加电极对的间隙尺寸来增长纳米粒子线的长度。由于介电泳力需要克服颗粒的布朗运动后自组装才能发生，所以电极间隙尺寸一旦变大所需施加的电势信号振幅也要相应提高。然而，这就更有可能导致电解过程的发生，进而在胶体悬浮液中产生气泡，并且损害微电极结构。

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基于纳米粒子自组装网状线结构的氢气传感器制造方法，可以有效的实现低成本、稳定性好并且灵敏度高的基于氧化锡纳米粒子自组装网状线结构的氢气传感器制造。

为了达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

基于纳米粒子自组装网状线结构的氢气传感器制造方法，包括以下步骤：