一種基于氣致變色功能的氫氣傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本申請涉及氫氣傳感領域，具體涉及一種基于氣致變色功能的氫氣傳感器。
【背景技術】
[0002]氫氣是世界上已知最輕的氣體，密度很小，為空氣的1/14，其可作為飛艇、氣球等的填充氣體，在化學上，可以用來作為催化劑，醫學上，可以用來治療疾病。氫氣是一種重要的工業氣體，其無色、無味、易燃，氫氣和一氧化碳的混合氣是重要的化工原料。
[0003]氫氣傳感器主要用來工業方面檢測氫氣的泄露等，然而，目前氫氣傳感器的檢測結果較少具有可視化的功能。
【發明內容】
[0004]為克服相關技術中存在的問題，本申請提供一種基于氣致變色功能的氫氣傳感器。
[0005]根據本申請實施例的第一方面，提供一種基于氣致變色功能的氫氣傳感器，所述氫氣傳感器基于WO3氣敏材料和WO3氣致變色材料;所述氫氣傳感器包括敏感單元、加熱單元和數據讀取單元;所述加熱單元和數據讀取單元與敏感單元的氧化媽氣敏薄膜連接;所述加熱單元作為氧化媽氣敏薄膜工作時的加熱源;數據讀取單元處理氧化媽氣敏薄膜的電導率變化信號以顯示目標氣體的濃度值;所述敏感單元為中空結構的雙層結構，形成雙層結構的A面結構和B面結構相對放置，距離500μπι，A面結構和B面結構交接的周邊采用膠體密封;所述A面包括石英玻璃基底、叉指電極層和WO3氣敏薄膜層，WO3氣敏薄膜層為摻雜SnO2的WO3薄膜，可以實現對NO2氣體的檢測，所述B面包括石英玻璃基底和WO3氣致變色層，WO3氣致變色層為WO3納米線薄膜摻雜ΖηΤΡΡ-2-Ν02，利用氣致變色原理可以實現對氫氣的可視化檢測；所述B面結構上還設置有2個用于目標氣體透入的透氣孔。A面中，所述SnO2的顆粒度小于80nm，所述WO3氣敏薄膜層厚度為700nm；B面中，所述WO3納米線長度約6μηι，直徑約60nm。
[0006]根據本申請實施例的第二方面，提供一種基于氣致變色功能的氫氣傳感器的制備方法，優選地，所述氫氣傳感器的敏感單元的制作包括以下步驟:
[0007]S1、制備A面結構，包括以下實施步驟:(I)取一定尺寸(4cm X 4cm)的石英玻璃基底，依次經過丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗20min; (2)在石英玻璃基底上旋涂一層光刻膠，厚度lwii，在叉指電極掩模版覆蓋下曝光6s，然后經過顯影50s后用去離子水清洗，采用磁控濺射方法鍍一層300nm厚的Cr膜作為叉指電極層，然后去除光刻膠；(3)將石英玻璃基底放入磁控派射儀中，抽真空至5X 10—4Pa以下，通入Ar和02的混合氣體，調節Ar:02比例為5:1，工作壓強為2.4Pa，在靶材為純度99.96%的金屬W靶磁控濺射28min，靶材為純度98%的金屬錫靶磁控濺射2min，得到摻雜SnO2的WO3薄膜，即WO3氣敏薄膜層；
[0008]S2、制備B面結構，包括以下實施步驟:(1)取相同尺寸(4cmX4cm)的石英玻璃基底，依次經過丙酮、乙醇、去離子水、NaOH水溶液、去離子水超聲清洗，時間均為20min; (2)取20g鎢酸鈉溶于200ml水中，加入過量的濃鹽酸得到活性鎢酸沉淀，將其過濾，再用去離子水清洗直至檢測不到氯離子，然后將活性鎢酸沉淀溶于過氧化氫中，制得溶膠，旋涂于石英玻璃基底上，350°C處理Ih獲得種子層，厚度為20nm;(3)取鎢酸鈉粉末4.12g溶于60ml去離子水，用3M HCl溶液調節其pH為2.0，然后加入2.lg(0.3M)硫酸銨作為控制劑，將石英玻璃基底平放在去離子水中，攪拌I小時后，倒入不銹鋼水熱反應釜中，在烘箱中加熱至150°C保持10h，然后取出石英玻璃基底用去離子水清洗；(4)選用三氯甲烷為溶劑，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超聲處理20min，使溶液均勻，通過滴膠方式將所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，設定旋涂速度為3400rpm，旋涂時間為70s，最后將石英玻璃基底在真空干燥箱中60°C下干燥12h，得到摻雜ZnTPP-2-N02的WO3納米線薄膜，即WO3氣致變色層；
[0009]S3、組裝:將制作完成的A面、B面結構相對放置，距離500μπι，Α面結構和B面結構交接的周邊采用膠體密封，即得所述氣致變色氣體傳感器的敏感單元。
[0010]本申請的實施例提供的技術方案包括以下有益效果:
[0011]1.結構方面，創造性的采用雙層膜結構，結合了氧化鎢材料的氣敏特性和氣致變色特性，增大了器件的應用范圍；
[0012]2.氧化鎢氣敏薄膜基于薄膜型電阻傳感器，薄膜通過磁控濺射方法制作，制作過程中通過控制氧分壓與摻雜氧化錫，使得薄膜對NO2的選擇性與靈敏度均大大提高；
[0013]3.氧化鎢氣致變色薄膜為氧化鎢納米線摻雜四苯基卟啉鋅衍生物(ΖηΤΡΡ-2-Ν02)材料，該摻雜材料作為催化劑，大大提高了氧化鎢納米線對出的反應活性，提高了靈敏度，并且實現了對氫氣的“可視嗅覺”測量。
[0014]本申請附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請的實踐了解到。應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請。
【附圖說明】
[0015]此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發明的原理。
[0016]圖1是本發明采用的氣致變色氣體傳感器中敏感單元的示意圖。
[0017]圖2是制備圖1中的敏感單元的流程圖。
[0018]其中:1-石英玻璃基底，2-叉指電極層，3-W03氣敏薄膜層，4-中空結構，5_W03氣致變色層。
【具體實施方式】
[0019]這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
[0020]下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本申請的不同結構。為了簡化本申請的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本申請。此外，本申請可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不只是所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此夕卜，本申請提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0021]在本申請的描述中，需要說明的是，除非另有規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
[0022]現代社會，隨著經濟與工業的不斷發展，人類對各種自然資源的消耗不斷增加，由于追求經濟目標與環保意識的欠缺，環境的污染問題越發嚴重。與此同時，表現在氣體方面，生產生活中排放的各種易燃、易爆、有毒氣體以及環境中氣體的泄露、污染也是人們財產安全與人身安全的一大威脅。因此，氣體傳感器技術是當前研究的重要課題之一。氣體傳感器是一種能夠感知周圍環境目標氣體濃度變化并進行有效監測的裝置或器件，其所依據的是物理原理或化學反應等，氣敏傳感器的類型主要有半導體氣敏傳感器、電化學氣體傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、光學式氣敏傳感器等。WO3是一種理想的可控變色材料，可實現對可見光及近紅外輻射透過率的連續調節。從1969年Deb首次報道的非晶WO3薄膜的電致變色效應以來，陸續發現其氣致變色、光致變色、熱致變色等性能，同時，作為過渡金屬氧化物，三氧化鎢對某些氣體，如NO2、N0、冊3、H2、H2S等均表現敏感特性；與電致變色器件相比，WO3氣致