CN105510400B - 一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源敏感材料，具体涉及一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，从内向外依次包括P型硅基底(4)、碳纳米管(3)、金属钯薄膜(2)和两个金属电极(1)，其中所述碳纳米管(3)的排布方式为分纵向和横向均匀排布，所述两金属电极(1)均为条形且相互对称的设置在金属钯薄膜(2)上表面。本发明采用的纹碳纳米管可以有效的改善金属钯膜的吸氢性能，减少氢气传感器的响应时间、提高氢气传感器的响应度；同时，器件的选择性也得到保证；此外，本发明可以在室温条件下工作；并且，器件制备工艺简单，易于大规模生产。

Description

一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器
技术领域
本发明涉及新能源敏感材料，具体涉及一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器。
背景技术
随着社会的发展，人民经济水平的不断提高，人们对于物质的需求越来越高，这就迫切要求国家工业化水平不断提高，可持续发展战略也被国家、民众纳入日常生活。可持续发展战略的良好实施，其在能源领域的关键问题就是亟待解决的问题。随着中东战乱的逐渐加剧，石油资源越发不能被国家所依赖。因此，寻找理想、高燃烧效率的清洁型能源成为可持续发展的关键所在。
考虑页岩气在中国开采尚未成熟、石油、天然气资源对外依赖巨大，氢气由于其无污染、燃烧效率高等优点，备受人们青睐，并且也得到了广泛开发和应用。现阶段，除了工业场合的应用，譬如甲醇、氨气(铵盐)等化学产品的制备，对氢气的需求越来越大，半导体行业、还原冶金行业也需求重大。随着国家的新能源汽车战略的推行，氢燃料电池在汽车领域的研究和应用也将会越来越广泛。
但是，氢气却有致命的缺点——极为易燃易爆。当氢气与空气(氧气)混合之时，其浓度范围为4％-96％时，极易发生爆炸。这对于使用氢气的工业场合、汽车等会造成巨大的伤害，带来巨大的损失。由此，发展一种用于检测氢气泄漏的氢气传感器，才能保障工业生产过程、半导体、冶金以及新能源汽车领域的用氢安全。研究响应快速、响应度高的氢气传感器已经成为研究氢气传感器领域的一个重要方向所在。
目前，氢气传感器的研究种类繁多，主要可以分为金属氧化物半导体氢气传感器、热电型氢气传感器、光学型氢气传感器以及电化学传感器，每种传感器都有各自独特的原理，但基本原理都是敏感材料吸附氢气后，材料电阻发生变化，通过检测电阻的不同变化，寻找其内在的关系，从而找到最快速响应氢气的材料。
相较而言，金属钯对氢气的吸附能力最强，也就能制备出最良好性能的氢气传感器，但是钯由于其本身的缺陷使得氢气传感器性能不能达到最优。
碳纳米管可以分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管，其具有储氢特性，在新能源领域得到了广泛应用。又由于其载流子速率极大、散热性能良好，因此常被用作电极、散热材料使用。将金属钯与碳纳米管混合的方法有许多，其中最为广泛的是采用钯的金属盐溶液为原材料，使用化学方法与碳纳米管形成相应的复合物，从而实现良好的氢敏特性，拥有较高的响应度，但是其响应时间却有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，解决现有技术中，利用碳纳米管制作的氢气传感器相应时间仍然无法满足需求的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，从内向外依次包括P型硅基底、碳纳米管、金属钯薄膜和两个金属电极，其中所述碳纳米管的排布方式为分纵向和横向均匀排布，所述两个金属电极均为条形且相互对称的设置在金属钯薄膜上表面。
进一步的所述金属钯薄膜的厚度为5nm-15nm。
进一步的所述金属电极的厚度为150nm。
一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法，包括碳纳米管的喷涂步骤、金属钯薄膜的制备步骤和金属电极的制备步骤，
所述碳纳米管的喷涂步骤为：制备0.2wt％的碳纳米管溶液；使用针头抽取碳纳米管溶液预喷涂1次；将制备好的平行条纹状掩膜板置于P型硅基底表面，并放置于喷涂位置；定量喷涂碳纳米管溶液，得到平行碳纳米管条纹；将掩膜板顺时针90度，再次喷涂碳纳米管溶液；
所述金属钯薄膜的制备步骤为：以氩气作为保护气体，利用溅射工具以5w的溅射功率、0.15nm/s的溅射速率在碳纳米管上溅射100秒；
金属电极的制备步骤为：在真空度为3*10-4Pa的环境下，以8.5kv的蒸镀电压、280mA的电流、0.5nm/s的沉积速率，沉积150nm的厚度而成。
进一步的所述平行条纹状掩膜板的条纹间距为250μm,条纹数为22条，喷涂工具利用氮气作为载气将0.2wt％碳纳米管溶液进行喷涂。
进一步的，所述金属钯薄膜设置在碳纳米管上后氮气氛围下，300℃退火12小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的纹碳纳米管可以有效的改善金属钯膜的吸氢性能，减少氢气传感器的响应时间、提高氢气传感器的响应度；同时，器件的选择性也得到保证；此外，本发明可以在室温条件下工作；并且，器件制备工艺简单，易于大规模生产。
附图说明
图1为本发明一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器的截面示意图。
图2为本发明一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1和图2示出了本发明一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器的一个实施例：一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，从内向外依次包括P型硅基底4、碳纳米管3、金属钯薄膜2和两个金属电极1，其中所述碳纳米管3的排布方式为分纵向和横向均匀排布，所述两个金属电极1均为条形且相互对称的设置在金属钯薄膜2上表面。
所述金属钯薄膜具有对氢气响应极其迅速、响应度高，其响应时间不会超过10s，响应度不会小于10％，并且其工作温度是室温，此外，器件具有良好的选择性，实验测试器件对二氧化氮、氧气、一氧化氮、甲醇、硫化氢、一氧化碳气体均无响应或者响应度极小，由此，可以避免这些气体对氢气传感器造成的中毒现象。
所述碳纳米管设置成类似“井”字形，对钯膜的吸氢性能改善最为明显，大大地提高了钯膜对氢气的响应，并且由于只是少量的碳管与金属钯膜相复合，碳纳米管也会相对地提高氢气传感器的氢气的响应度。
经实验，其响应时间最短可以达到2s(66.7％的电阻变化率)，响应度可以达到50％，使用寿命长，并且可以在室温下工作。
所述金属电极1为铝电极也可以是银电极，可以通过电子束蒸发、磁控溅射等方法制备，制备简单，成本低廉。如若是铝电极，则响应速率相对更快；如若是银电极，则响应时间、恢复时间都相对较快。
根据本发明一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器的另一个实施例，进一步的所述金属钯薄膜2的厚度为5nm-15nm，最佳厚度为12nm。
根据本发明一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器的另一个实施例，所述金属电极1的厚度为150nm。
本申请还公开了一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法的实施例：一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法，包括碳纳米管的喷涂步骤、金属钯薄膜的制备步骤和金属电极的制备步骤，
所述碳纳米管的喷涂步骤为：制备0.2wt％的碳纳米管溶液；使用针头抽取碳纳米管溶液预喷涂1次；将制备好的平行条纹状掩膜板置于P型硅基底4表面，并放置于喷涂位置；定量喷涂碳纳米管溶液，得到平行碳纳米管条纹；将掩膜板顺时针90度，再次喷涂碳纳米管溶液；
所述金属钯薄膜的制备步骤为：以氩气作为保护气体，利用溅射工具以5w的溅射功率、0.15nm/s的溅射速率在碳纳米管3上溅射100秒；
金属电极的制备步骤为：在真空度为3*10-4Pa的环境下，以8.5kv的蒸镀电压、280mA的电流、0.5nm/s的沉积速率，沉积150nm的厚度而成。
根据本发明一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法的另一个实施例，所述平行条纹状掩膜板的条纹间距为250μm,条纹数为22条，喷涂工具利用氮气作为载气将0.2wt％碳纳米管溶液进行喷涂。
根据本发明一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法的另一个实施例，所述金属钯薄膜2设置在碳纳米管3上后氮气氛围下，300℃退火12小时。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，其特征在于：从内向外依次包括P型硅基底（4）、碳纳米管（3）、金属钯薄膜（2）和两个金属电极（1），其中所述碳纳米管（3）的排布方式为分纵向和横向均匀排布，所述两个金属电极（1）均为条形且相互对称的设置在金属钯薄膜（2）上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，其特征在于：所述金属钯薄膜（2）的厚度为5nm-15nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管和钯复合薄膜的氢气传感器，其特征在于：所述金属电极（1）的厚度为150nm。
4.一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法，包括碳纳米管的喷涂步骤、金属钯薄膜的制备步骤和金属电极的制备步骤，其特征在于：
所述碳纳米管的喷涂步骤为：制备0.2wt%的碳纳米管溶液；使用针头抽取碳纳米管溶液预喷涂1次；将制备好的平行条纹状掩膜板置于p型硅基底（4）表面，并放置于喷涂位置；定量喷涂碳纳米管溶液，得到平行碳纳米管条纹；将掩膜板顺时针90度，再次喷涂碳纳米管溶液；
所述金属钯薄膜的制备步骤为：以氩气作为保护气体，利用溅射工具以5w的溅射功率、0.15nm/s的溅射速率在碳纳米管（3）上溅射100秒；
金属电极的制备步骤为：在真空度为3*10-4Pa的环境下，以8.5kv的蒸镀电压、280mA的电流、0.5nm/s的沉积速率，沉积150nm的厚度而成。
5.根据权利要求4所述的一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法，其特征在于：所述平行条纹状掩膜板的条纹间距为250μm,条纹数为22条，喷涂工具利用氮气作为载气将0.2wt%碳纳米管溶液进行喷涂。
6.根据权利要求4所述的一种制备基于碳纳米管和钯复合薄膜氢气传感器的方法，其特征在于：所述金属钯薄膜（2）设置在碳纳米管（3）上后氮气氛围下，300℃退火12小时。
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