[发明专利]基于涡街与压电薄膜的氢气传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢气传感器及其制备方法，尤其是涉及一种基于涡街与压电薄膜的氢气传感器及其制备方法。

背景技术

中国是近年来新能源和可再生能源增长速度最快的国家，其中，氢能源占全部可再生能源的12.1%（2004），因其高产能无污染的特性这一比重在继续扩大，但氢气的危险性决定必须对其合理有效的检测。因此，低碳制造和氢能源新兴产业的发展都急需灵敏度高、安全性好的气体检测技术的出现。从这两方面考虑，开展高灵敏度、高稳定性的气敏传感技术的基础科学问题和关键共性技术研究对低碳制造及氢能源新兴产业的发展，乃至十二五规划中的节能减排这一战略目标的实现都具有重要意义。

通过最近几十年的研究，已经有许多种气体检测技术得以工业化，其中应用最为广泛的方法是金属氧化物检测法和光谱分析法。前者以稳定的性能和简单的接口设计为其赢得了很大的市场，而后者的优势在于良好的选择性和高精度与灵敏度。而上述两种方法在用于检测氢气时则存在着局限：由于金属氧化物对还原性气体的响应具有普遍性，而对氢气物特殊的响应，因此金属氧化物检测方法对氢气的选择性较差；对于不会吸收红外光与紫外光的氢气来说，光谱分析的应用也受到了限制；同时，两种方法都存在动态特性差的问题，不适合管道中氢气的检测。

为了解决这些问题，有必要研究一种基于涡街与压电薄膜的氢气传感器，实现动态性能好、灵敏度高、微型化的氢气检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于涡街与压电薄膜的氢气传感器及其制备方法。利用机械加工、旋转涂覆与磁控溅射方法制备基于涡街与压电薄膜的氢气传感器，提高氢气传感器的灵敏度与动态特性，简化传感器的制备过程。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种基于涡街与压电薄膜的氢气传感器

传感器一外筒壁，在外筒壁前端固定一涡街发生器，后端对称安装氢敏压电传感单元和对照压电传感单元；当气体流动时，涡街发生器产生气体涡街，氢敏压电传感单元和对照压电传感单元在气体涡街影响下受迫振动产生信号；当氢气浓度变化时，氢敏压电传感单元表面复合压电薄膜固有频率变化导致氢敏压电传感单元和对照压电传感单元输出信号相位差发生变化，根据输出信号相位差值测得氢气浓度；同时，当气体流量发生变化时，氢敏压电传感单元与对照压电传感单元输出信号频率发生变化，根据输出信号频率得到气体流量。

所述的氢敏压电传感单元由氢敏压电传感单元基底与复合压电薄膜构成，其中复合压电薄膜分为3层，Pd氢敏感层、PVDF压电层与Cu对照电极层，Pd氢敏感层与Cu对照电极层分别溅射在PVDF压电层两面，Cu对照电极层粘贴在氢敏压电传感单元基底上；对照压电传感单元由对照压电传感单元基底与复合压电薄膜构成，其中复合压电薄膜分为3层，Pd氢敏感层、PVDF压电层与Cu对照电极层，Pd氢敏感层与Cu对照电极层分别溅射在PVDF压电层两面，Pd氢敏感层粘贴在对照压电传感单元基底上；氢敏压电传感单元与对照压电传感单元输出信号均为PVDF压电层两端由于压电效应产生的信号。

二、一种基于涡街与压电薄膜的氢气传感器制备方法

本发明制备一种基于涡街与压电薄膜的氢气传感器的具体步骤如下：

（1）室温下，将二甲基甲酰胺（DMF）与丙酮按照质量比1:1混合作为溶剂，将PVDF-TrFE粉末加入溶剂中，搅拌混合得到质量分数15-20%的溶液；

（2）启动旋转涂覆设备；从旋转涂覆设备顶盖处向旋转涂覆设备的腔内注入溶液，制备5-25um的PVDF压电层薄膜。

（3）小心取下制得的PVDF压电层薄膜，将其送入磁控溅射腔内压紧；首先在PVDF压电层一面溅射Pd，形成100-150nm的Pd氢敏感层，达到指定厚度后翻转对另一面进行溅射Cu，形成100-150nm的Cu对照电极层；溅射完成后，取出冷却干燥，通过对两面施加电压极化。

（4）取极化后薄膜靠近中心厚度均匀部分，分割得到两块长10-20mm宽10-20mm相同大小的矩形薄膜。

（5）将矩形薄膜的Cu对照电极层粘贴在氢敏压电传感单元基底上，PDMS封装边缘，得到氢敏压电传感单元；将矩形薄膜的Pd氢敏感层粘贴在对照压电传感单元基底上，PDMS封装边缘，得到对照压电传感单元。

（6）将涡街发生器安装在外筒壁前端，将氢敏压电传感单元与对照压电传感单元安装在外筒壁后端对称位置，完成基于涡街与压电薄膜的氢气传感器制备。

附图说明

图1是基于涡街与压电薄膜的氢气传感器的主视图。