[发明专利]氢气传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氢气传感器及其制备方法，该氢气传感器包括衬底和氢敏薄膜。衬底包括支撑区和悬空区，衬底在悬空区设有凹槽。氢敏薄膜设于衬底的支撑区和悬空区上；在支撑区，氢敏薄膜与衬底贴合；在悬空区，氢敏薄膜与衬底的凹槽底壁之间具有间隙。上述氢气传感器采用具有凹槽的衬底，使得氢敏薄膜在该悬空区为悬空状态，悬空区的氢敏薄膜为近自由状态；相比于受衬底束缚的支撑区的氢敏薄膜，其在吸氢时具有更大的形变，对入射光的反射效果变化迅速，反射率极速下降，从而产生更强的光散射，同时具有更快的响应速度。由于悬空区的氢敏薄膜受衬底的影响很小，在长时间使用后的传感效果不会有很大影响，因此使得该氢气传感器具有更长的使用寿命。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种氢气传感器及其制备方法。

背景技术

作为一种理想的清洁能源，氢能源将在未来的能源系统中扮演重要角色。氢气是氢能源的主要载体，是一种无色无味且易燃易爆气体，在空气中具有很大的爆炸浓度范围和较低的点燃能量，其使用的各个环节中都面临安全问题。为了确保氢气的安全使用，需要实时监控周围环境中的氢气浓度并在泄露时及时报警。因此，开发出低成本、易操作和高性能的氢气传感器对氢能源的开发利用有极大的推动作用。

传统的氢气传感器主要是利用电信号进行氢气探测。这种氢气传感器在使用过程中可能产生电火花，非常不利于测量氢气这种易燃易爆气体。相比之下，光学氢气传感器在探测点是利用光信号，可以有效避免这一安全隐患。氢敏薄膜是常用的光学氢气传感结构。单层膜结构在吸氢过程中的光学变化量小，灵敏度较低。为了提高氢气传感的灵敏度，研究者发展出多层膜结构。氢敏薄膜传感器的结构简单，易制备，成本低；且主要是基于光强变化进行探测，相比于光谱移动的测量方式更加容易操作。近年来，表面等离激元氢气传感器是光学氢气传感领域的研究热点，其是基于光谱移动的测量方式。在早期的研究中，研究者利用钯纳米结构在吸氢过程中介电常数变化引起的等离激元共振谱线移动对氢气进行探测。由于钯吸氢时的介电常数变化量较低，谱线的移动小；而且其谐振谱线线宽较大，因此这些传感器的品质因数(谱线移动距离和半高宽的比值)很低。针对这一问题，研究者将钯与等离激元响应较强的金属相结合，显著提升氢气传感性能。表面等离激元氢气传感器具有很快的响应速度和极低的探测浓度极限。

然而，采用多金属复合结构或者其他氢敏材料以解决纯钯结构的光学响应小的问题，会加大氢气传感器在制备和检测上的难度，增加传感器成本。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构简单、能够提高光学响应的氢气传感器及其制备方法。

一种氢气传感器，包括：

衬底，包括支撑区和悬空区，所述衬底在所述悬空区设有凹槽；及

氢敏薄膜，设于所述衬底的所述支撑区和所述悬空区上；在所述支撑区，所述氢敏薄膜与所述衬底贴合；在所述悬空区，所述氢敏薄膜与所述衬底的凹槽底壁之间具有间隙。

在其中一些实施例中，所述衬底为柔性衬底。

在其中一些实施例中，所述衬底的材质选自聚乙烯、聚丙烯和聚二甲基硅氧烷中的至少一种；和/或

所述氢敏薄膜为钯纳米薄膜、镁纳米薄膜、钇纳米薄膜或铪纳米薄膜中的一种或者至少两种形成的叠层。

在其中一些实施例中，所述氢气传感器还包括氢气选择透过薄膜，所述氢气选择透过薄膜覆设于所述氢敏薄膜的远离所述衬底一侧。

在其中一些实施例中，所述氢气选择透过薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯膜和聚四氟乙烯中的至少一种。

在其中一些实施例中，所述悬空区的数量为多个；和/或

所述悬空区被所述支撑区围绕。

在其中一些实施例中，所述凹槽在所述衬底上的面积占比为5％～95％。