[发明专利]一种氢气探测器探测浓度范围和灵敏度的调控方法

说明书

本发明涉及气体探测器技术领域，提供了一种氢气探测器探测浓度范围和灵敏度的调控方法，在氢气探测器的制备过程中，通过改变氧化物半导体薄膜的退火气氛调控氢气探测器的探测浓度范围和灵敏度；所述退火气氛包括氧气、空气、真空或氢气。本发明充分发挥了传统的金属氧化物气敏材料的优势，利用不同气氛对氧化物半导体薄膜进行退火处理，得到具有不同表面粗糙程度和氧空位浓度的薄膜，从而实现对氢气探测器探测浓度范围和灵敏度的调控，获得不同探测浓度范围和不同灵敏度的氢气探测器，从而满足不同场合对氢气传感器的要求。

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种氢气探测器探测浓度范围和灵敏度的调控方法。

背景技术

氢气作为一种可再生绿色能源，具有较高的能量密度，在化学原材料、冶金和其他许多相关的基本原料领域都有广泛应用。然而，氢气是一种易燃易爆气体，点燃时呈现几乎不可见的蓝色火焰，在空气中的体积浓度达到4～75％时极易发生爆炸。为了安全使用，实时检测氢气泄漏是充分利用氢能的最重要基础。

基于响应机制，氢气传感主要可分为光学、电化学和化学传感器。二氧化钛是一种宽禁带n型半导体材料，具有独特的光、电、催化和气体传感特性，具有低成本且在高度恶劣环境下保持稳定的特性，被视为未来智能氢气传感器最有潜力的候选材料之一。基于二氧化钛的检测机制，氢气的吸附和解吸过程需要严苛的高温环境(200～300℃)，通过高温环境降低氢气在传感器表面吸附活化能，从而来提高器件的灵敏度，达到较低的低浓度探测极限；且高温下迅速地解吸能获得较快的恢复时间，以扩展探测器对氢气在高浓度的探测范围，但高温环境增加了能耗成本及安全隐患。相关文献记录，二氧化钛薄膜由于较低的灵敏度，在室温下低浓度探测极限可以达到30ppm，室温下可探测的极限浓度仅为300ppm。

目前，金红石二氧化钛薄膜氢气传感器实现了室温下氢气的探测极限低至1ppm，灵敏度为4％，浓度探测范围为1～2000ppm。但是，不同的应用场合下对氢气探测器的要求并不相同，有些场合要求氢气传感器有较宽的检测浓度范围，而有些场合则要求氢气传感器有较高的灵敏度，而对检测范围要求不高。但是，目前并没有调控氢气传感器室温下检测浓度和灵敏度的有效方法。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种氢气探测器探测浓度范围和灵敏度的调控方法。本发明提供的方法能够对氢气探测器的浓度检测范围和灵敏度进行有效调控，获得适用于不同场合的探测器。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种氢气探测器探测浓度范围和灵敏度的调控方法，在氢气探测器的制备过程中，通过改变氧化物半导体薄膜的退火气氛调控氢气探测器的探测浓度范围和灵敏度；所述退火气氛包括氧气、空气、真空或氢气。

优选的，所述氧化物半导体薄膜包括但不限于二氧化钛薄膜、二氧化锡薄膜、氧化锌薄膜、氧化钨薄膜或氧化镍薄膜。

优选的，所述氢气探测器的制备过程包括以下步骤：

(1)利用磁控溅射法在衬底表面制备籽晶层，然后在空气气氛中退火；

(2)使用水热法在退火后的籽晶层表面制备氧化物半导体薄膜，然后对氧化物半导体薄膜进行退火；所述退火的气氛包括氧气、空气、真空或氢气；

(3)使用磁控溅射法在退火后的氧化物半导体薄膜表面制备叉指电极，得到氢气探测器。

优选的，所述对氧化物半导体薄膜进行退火的温度为200～600℃，时间为20～120min。

优选的，所述氢气探测器探测浓度范围的调控范围为50ppb～2％，1ppm氢气浓度下灵敏度的调控范围为1％～80％。

优选的，当所述氧化物半导体薄膜的退火气氛为氧气时，所得氢气探测器的探测浓度为1ppm～4000ppm或1ppm～20000ppm，在1ppm氢气浓度下的灵敏度为1～5％。