基于鈀基低維納米結(jié)構(gòu)增敏的光纖氫氣傳感器研究.pdf

1、光纖氫氣傳感器因其本質(zhì)安全、抗干擾能力強、信號傳輸距離遠及體積小巧等優(yōu)勢，是目前各種類型氫氣傳感器中的研究熱點，在軍用民用領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。受限于氫敏材料響應(yīng)性能，目前已提出的各種光纖氫氣傳感器難以滿足實際測量需求。隨著微加工技術(shù)的不斷進步以及低維納米材料合成方法的深入研究，光纖氫氣傳感器的一些特性得到明顯改善，如響應(yīng)速率和靈敏度，然而新工藝新材料仍存在長期穩(wěn)定性、抗老化性、抗溫飄零漂等亟待解決的關(guān)鍵問題。本論文針對該

2、領(lǐng)域目前存在的問題，進行了如下研究：
　　（1）提出了氫氣在鈀基材料表面吸附、亞表面層交換到體相擴散的數(shù)學(xué)模型。利用數(shù)值求解方法，在該模型基礎(chǔ)上分析了不同溫度、氫分壓、滲透深度及滲透速率對薄膜和球形顆粒兩種典型納米結(jié)構(gòu)的飽和響應(yīng)速率的影響。研究表明在納米尺度下材料表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，由于體相中的擴散時間顯著縮短使得飽和響應(yīng)時間大大減小。
　　（2）采用磁控濺射法制備了30 nm厚度的Pd92Y8復(fù)合薄膜，采用多種表征手段對

3、薄膜表面形貌、成分及結(jié)晶狀態(tài)進行了研究。得到的薄膜具有光滑的表面和良好的晶態(tài)。分析了敏感薄膜在室溫空氣環(huán)境下長期工作性能下降的因素，并針對老化薄膜提出了一種熱處理恢復(fù)工藝。
　　（3）采用液相合成法制備了5 nm直徑的純鈀和鈀銀納米顆粒，并通過旋涂法沉積于基片。表征分析說明通過這種方法可以獲得粒徑分布均勻，分散性好的納米級顆粒。采用這種工藝可以進行摻雜合成鈀基復(fù)合顆粒以調(diào)控敏感材料性能。
　?。?）基于仿真分析，環(huán)境溫度波動

4、會影響敏感材料的飽和氫溶解度，進而對傳感器響應(yīng)幅值造成擾動。本文針對溫度提出了一種用于補償溫度波動的雙光路，以及可以對反射光強進行微調(diào)的傳感器探頭設(shè)計方案，通過實驗驗證了該傳感器系統(tǒng)的合理性。為了提高傳感器精度，設(shè)計了基于T型網(wǎng)絡(luò)的低噪聲前置放大電路，采用NI采集卡采集，并用軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的補償算法。
　　（5）在實現(xiàn)了反射式光纖氫氣傳感器基礎(chǔ)上，對基于鈀釔納米薄膜和鈀基納米顆粒的兩種傳感器氫敏響應(yīng)性能進行了實驗分析。實驗結(jié)果表明