一種用于氫氣傳感器的鎂合金薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于氫氣傳感器的鎂合金薄膜及其制備方法，所述薄膜具有氣致變色功能，對(duì)氫氣及其同位素氣體均具有很高的靈敏度。
【背景技術(shù)】
[0002]與其它易燃?xì)怏w相比，氫氣具有很多優(yōu)異的特性。它燃燒效率高、產(chǎn)物無(wú)污染，與太陽(yáng)能、核能一起被稱為三大能源。正由于其優(yōu)異的特性，使得其在航空、動(dòng)力領(lǐng)域擁有非常廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，作為一種還原性氣體，氫氣在化工、醫(yī)療、金屬冶煉、軍事國(guó)防領(lǐng)域也有著極為重要的應(yīng)用價(jià)值。但由于其分子量小、無(wú)色無(wú)味、不易被察覺，且著火點(diǎn)溫度僅為585°C，空氣中含量超過4?75%遇明火時(shí)會(huì)爆炸，故研究安全、可靠和靈敏度高的氫氣傳感器具有十分重大的意義。
[0003]氫氣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展已有100多年，但在各種工業(yè)領(lǐng)域中，更快速更準(zhǔn)確的氫氣檢測(cè)仍迫切需要。如:空間站中，氧氣主要來(lái)源于水的電解，氫氣作為副產(chǎn)物被電解出來(lái)。若電解出來(lái)的氫氣進(jìn)入輸氧管道，會(huì)造成巨大的安全隱患。核反應(yīng)堆中，重水的輻照分解會(huì)產(chǎn)生氘氣，氘氣與氫氣一樣，也具有可燃性。這就需要一種在常溫下對(duì)氫氣及其同位素氣體非常敏感且具有很好選擇性的裝置，來(lái)檢測(cè)環(huán)境中氫氣濃度，以便能及時(shí)避免爆炸，保證工作的安全運(yùn)行。
[0004]目前，氫氣傳感器主要有兩類:一是半導(dǎo)體型傳感器，主要以W03，ZnO等金屬氧化物為氣敏材料，通過吸附氫氣后產(chǎn)生載流子濃度的變化來(lái)反映氫氣的濃度變化。這類傳感器靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)，特別適合于家庭煤氣泄漏報(bào)警使用。但其工作溫度一般較高，對(duì)器件的要求較高，且使用中易產(chǎn)生電火花；二是非半導(dǎo)體型氫氣傳感器，它也具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，且常溫下即可使用。但這類傳感器的制備和組裝較為復(fù)雜，成本較聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明旨在提供一種用于氫氣傳感器的鎂合金薄膜及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)氫氣傳感器不僅在常溫下可反復(fù)使用、具有響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)氫氣對(duì)其同位素氣體均具有較高傳感性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種用于氫氣傳感器的鎂合金薄膜，其包括由下至上依次設(shè)置的基片、鎂合金薄膜材料層、催化層和保護(hù)層。
[0008]作為一種優(yōu)選方案，所述基片為玻璃、高分子薄膜或透明陶瓷。
[0009]作為一種優(yōu)選方案,所述鎂合金薄膜材料層的厚度為50?10nm。
[0010]作為一種優(yōu)選方案，所述鎂合金薄膜材料的組成為MgxM,其中的M為N1、T1、V、Nb、Y、Zr中的一種。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)選方案,所述鎂合金薄膜材料的組成為MgyNi,其中,0.5 < y/(y+1)< 0.9。
[0012]作為一種優(yōu)選方案，所述催化層的厚度為2?10nm。
[0013]作為一種優(yōu)選方案，所述催化層的材料為PcUPt或含Pd的合金。
[0014]作為一種優(yōu)選方案，所述保護(hù)層的材料為高分子材料，如:聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纖維素等。
[0015]一種制備本發(fā)明所述鎂合金薄膜的方法，其包括如下步驟:
[0016]a)對(duì)基片進(jìn)行表面清潔預(yù)處理；
[0017]b)采用直流磁控濺射法在經(jīng)步驟a)預(yù)處理后的基片上依次沉積鎂合金薄膜材料層和催化層；
[0018]c)采用旋涂法在步驟b)得到的催化層上涂覆保護(hù)層。
[0019]作為優(yōu)選方案，步驟a)所述的表面清潔預(yù)處理的操作為:將基片依次用氫氧化鈉溶液、去離子水、丙酮、去離子水進(jìn)行超聲清洗。
[0020]作為優(yōu)選方案，步驟b)所述的直流磁控濺射的工藝條件為:真空系統(tǒng)由分子泵和機(jī)械泵二級(jí)組成，真空室本底真空度達(dá)10_5數(shù)量級(jí)，靶材組分分別為純Mg金屬、純Ni金屬和純Pd金屬；待本底真空度達(dá)到要求后，向真空室內(nèi)充入高純Ar氣體，流量為40SCCm，基片轉(zhuǎn)速15r/min，待沉積壓力穩(wěn)定在0.7Pa后，開始濺射。
[0021]作為優(yōu)選方案，步驟c)進(jìn)行旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0022]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，由本發(fā)明的鎂合金薄膜制得的氫氣傳感器在常溫下即可使用，且響應(yīng)速度快、靈敏度高、響應(yīng)的濃度范圍廣，可反復(fù)使用；尤其是，所得氫氣傳感器不僅對(duì)氫氣具有傳感性，對(duì)氫氣的同位素氣體也同樣具有傳感性；另外，所得傳感器還具有成本低，實(shí)用范圍廣，對(duì)低濃度氣體也非常敏感，既可以薄膜電阻值作為傳感信號(hào)，又可以薄膜透光率值作為傳感信號(hào)。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明提供的一種用于氫氣傳感器的鎂合金薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為以薄膜透光率值作為傳感信號(hào)的傳感器示意圖；
[0025]圖3為以薄膜電阻值變化作為傳感信號(hào)的傳感器示意圖；
[0026]圖4為薄膜鏡子態(tài)和透明態(tài)效果圖；
[0027]圖5為Mg4Ni薄膜在670nm激光下循環(huán)壽命；
[0028]圖6為通H2、D2前后薄膜的透光率圖譜；
[0029]圖7為通H2后薄膜電阻的變化圖譜；
[0030]圖8為H2和D2在Mg4Ni材料合金薄膜中的擴(kuò)散示意圖；
[0031]圖9為薄膜材料對(duì)不同濃度(lOppm、lOOppm、1000ppm、4%)氫氣的電阻響應(yīng)；
[0032]圖10為薄膜材料對(duì)不同濃度氫氣的透光率響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0034]實(shí)施例1
[0035]一、將玻璃基片分別在:0.5mol/L NaOH溶液、去離子水、丙酮、去離子水中各超聲1min,之后用pH試紙確定最后的洗漆液去離子水呈中性,備用；
[0036]二、濺射靶材組分分別為4英寸的純Mg金屬、純Ni金屬和2英寸的純Pd金屬，待磁控濺射儀沉積室本底真空度達(dá)到5X KT5Pa以下后，將清洗后的基片放入沉積室中；隨后向磁控濺射系統(tǒng)的沉積室內(nèi)以40SCCm的流量充入高純Ar氣體，控制玻璃基片的轉(zhuǎn)速15rpm,待沉積壓力穩(wěn)定在0.7Pa后，開始濺射沉積；Mg和Ni在P(Mg)=112W、P(Ni)=30ff,t (Mg-Ni) =90s條件下共濺射，催化層Pd待