一种氢气传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子材料技术领域，尤其是涉及一种氢气传感器的制造方法。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的迅猛发展，工业化程度的日益提高以及可持续发展战略的实施，能源问题和环境问题己经成为急需解决的事情。不可再生能源(比如石油、天然气等等)的大量消耗和伴随而来的温室效应、日益恶劣的全球环境、日益严重的污染程度等等使得迫切需要寻找理想、高效、清洁的新型能源，从而有效完成能源、环境的可持续发展。
[0003]氢气作为一种较为理想的新型能源，由于其无污染、储量丰富以及燃烧放热多等多种优点，受到人们的青睐，并得到越来越广泛的开发利用。氢气被广泛应用于各种工业生产场合，如氨、甲醇和其它化学制品的合成、石油加工、半导体制作、化学制品的还原及冶金等等。同时，作为化学、食品、电子工业等的重要原材料，在工农业生产方面也有着广泛的应用。
[0004]然而，氢气本身也存在一些显著地缺点:氢气是一种易燃易爆气体，与空气混合之后容易发生爆炸，其爆炸范围为4.65%-93.9% (体积浓度)，而且氢气具有较大的扩散系数和较低的燃烧热能。因此，为了保障在各种含氢的工业生产过程中氢气能源的使用、转移和存储等应用方面的安全性，发展用于检测氢气泄漏和环境中氢气浓度的高灵敏度的氢气传感器，已经成为人们日益关注的问题，研宄高性能的氢气传感器也已经成为传感器领域的重要研宄方向。
[0005]目前，用于监测氢含量的传感器主要包括金属氧化物半导体氢气传感器、热电型氢敏材料及传感器、光学型氢气传感器以及电化学型氢气传感器等。
[0006]金属氧化物半导体传感器以氧化锡、氧化锌、氧化钨等金属氧化物材料为主制成，稳定性高、结构简单、价格便宜、易于复合，近几十年得到了广泛的研宄。但是，单一的金属氧化物氢敏材料的响应灵敏度难以满足实际的要求，同时由于金属氧化物对还原性气体具有普遍的响应，对氢气无特殊的响应性，所以金属氧化物半导体氢气传感器的选择性较差。
[0007]热电型氢气传感器是主要是通过测量环境中氢气与氧气在探测器中包含的催化剂作用下反应所释放出的热量来进行氢气的探测。一般情况下，热电型氢敏材料中选用的催化金属对氢气具有专一性，因此热电型氢气传感器具有较好的选择性。但是，由于热电型氢气传感器的性能依赖于催化剂的活性，催化剂中毒现象会影响其性能。
[0008]光学型氢气传感器通常采用钯作为敏感材料。金属钯在吸收氢气之后，会发生相变，进而其光学性质随之改变，并且变化值是氢气浓度的函数，光学型氢气传感器就是根据这一原理实现对氢气浓度的监测。到目前为止，光学型氢气传感器还存在一些缺点，如在经过多次循环后易出现脱层、起泡，因而使用寿命较短。如何延长光学型氢敏材料的使用寿命，已经成为光学型氢气传感器研宄中的焦点问题。
[0009]电化学氢气传感器由于其产生的电势与传感器的尺寸无关，容易微型化，因此得到了应用。但是，电化学氢气传感器的寿命仍有待提高。
【发明内容】
[0010]本发明提供了一种响应速度更快、选择性良好、使用寿命长的氢气传感器的制造方法。
[0011]本发明的技术方案是:
一种氢气传感器的制造方法，所述氢气传感器包括阳极氧化铝支撑层；
纳米金属钯层，所述纳米金属钯层设置在所述阳极氧化铝支撑层上；保护薄膜层；所述保护薄膜层贴覆在纳米金属靶层之上；叉指电极，所述叉指电极设置在所述纳米金属钯层上；包括以下步骤:
第一步、对金属氧化物进行退火处理；
第二步、将氯化物、聚乙烯吡咯烷酮、NaI.2H20和去离子水同时加入盛有二甲基甲酰胺的烧杯中，所述氯化物为氯化钯或氯化铂，得到棕黑色溶液，将棕黑色溶液转移至反应釜中，然后将步骤I)中退火处理后的金属氧化物加入到反应釜中并进行超声分散，分散完全后将反应釜密封并在设定的生长温度下放置，反应完毕冷却至室温后，将所得产物离心并用无水乙醇洗涤，最后将产物分散在溶剂中，得到在表面沉积有钯或铂纳米颗粒的金属氧化物室温氢气敏感材料；
第三步、将第二步得到的金属氧化物室温氢气敏感材料超声分散到无水乙醇中，然后将分散后的悬浊液滴在清洁过的叉指电极上，待乙醇挥发完全后得到气敏芯片，然后将气敏芯片与外围电路连接，得到氢气传感器。
[0012]所述保护薄膜层为Pb、Pt或Au薄膜。
[0013]所述叉指电极的材料为金、银、铝或者镍镉合金。
[0014]阳极氧化铝支撑层制备步骤包括下列步骤:
a、铝片退火及清洗
将金属铝材料进行高温退火，在大气、氮气或者氩气环境下进行退火；
b、电化学抛光
将经过步骤a处理之后的金属铝材料作为阳极，置于抛光液中进行抛光；
C、铝阳极氧化
将经过步骤b处理之后的铝材料作为阳极，浸入电解液中进行阳极氧化。
[0015]退火温度选择为500°C，时间可以选择为5-10小时，退火后的铝材料分别在丙酮溶液和乙醇溶液中超声清洗。
[0016]按照本发明制作方法制得的氢气传感器具有以下有益效果:
第一、与以热蒸发、溅射为代表的物理方法相比，生产效率大幅提升，成本大幅下降，适用于大批量合成。
[0017]第二、与其他湿法化学合成方法相比，一是通过选择合适的溶剂(二甲基甲酰胺)使钯或铂能够直接在氧化物基底材料上生长，催化剂颗粒与基底材料结合得比机械混合方法得到的更加紧密，有利于在对氢气的响应过程中催化剂和基底材料之间的电子和离子传输，二是利用聚乙烯吡咯烷酮和碘离子的协同作用控制产物的晶面，使得钯或铂催化剂颗粒最终暴露的晶面大部分为{100}晶面，催化性能更加均匀和稳定。
[0018]第三、本发明制成的室温氢气传感器响应速度快，灵敏度高，均一性好，制作简单，成本低。可广泛应用于需要检测氢气泄露的情况，尤其适合于氢气浓度较高、用传统的高温传感器容易引发安全事故的场所。
【具体实施方式】
[0019]下面通过实施例，对发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0020]实施例一:
本实施例所述氢气传感器的制备方法，包括以下步骤:
步骤一、对常规的WO3纳米片进行预处理，在室温条件下将Ig WO3纳米片装入石英坩祸中，然后将其放入马弗炉内。启动马弗炉的加热程序，以5°c /min的加热速率从室温加热到500°C，在500°C保持2h，然后关闭马弗炉加热程序，使其自然降温，降至室温后，将WO3纳米片装入样品瓶中待用。
[0021]所述常规三氧化钨纳米片为平均边长为150nm，平均厚度为30nm的薄片。可在实验室中以简单的水热方法合成，也可购买商业化的类似商品。
[0022]步骤二、将0.12g氯化钯、1.6g聚乙烯吡咯烷酮、3.6g碘化钠和20毫升去离子水加入含有100毫升二甲基甲酰胺的烧杯中，在室温下用磁力搅拌器搅拌lOmin，得到棕黑色的混合物，然后将上述混合物转移到250ml的反应釜内并将步骤一所得的Ig WO3纳米片加入，在额定功率为10W的超声清洗机中超声处理30min。然后将反应釜封口，在150°C的鼓风干燥箱中放置8h。反应釜降至室温后，将得到的固体产物用二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤三次。得到修饰有钯纳米颗粒的WO3纳米片(即表面沉积有钯纳米颗粒的金属氧化物室温氢气敏感材料)。
[0023]所述氯化钯、聚乙烯吡咯烷酮、碘化钠以及二甲基甲酰胺均为普通分析纯试剂。
[0024]步骤三、取1mg步骤二得到的修饰有钯纳米颗粒的WO3纳