Multiphysics coupled sensing mechanism of Pd/Ni alloy thin-film coated SAW hydrogen sensor

多物理 材料科学 合金 机制(生物学) 薄膜 氢传感器 复合材料 光电子学 机械工程 冶金 纳米技术 有限元法 工程类 结构工程 化学 物理 催化作用 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Baile Cui,Jing Jin,Anyu Hu,Zixuan Ren,Yong Liang,Wen Wang,Lina Cheng
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:33 (5): 055009-055009 被引量:6
标识
DOI:10.1088/1361-665x/ad378b
摘要

Abstract Multiphysics coupled sensing mechanism of palladium/nickel (Pd/Ni) alloy thin-film coated surface acoustic wave (SAW) hydrogen (H 2 ) sensor is demonstrated theoretically and experimentally to allow the optimization of the sensing device in this work. The resistor-capacitance circuit model is used to describe the interaction between Pd/Ni film and H 2 . Referring to the perturbation theory, the relationship between the changes in SAW velocity/phase and the multi-physical field quantities of the Pd/Ni film are analyzed. To verify the theoretical model, the Pd/Ni film is sputtered on the Y35°X quartz substrate to build the delay-line patterned SAW H 2 sensor. Experimental results have well verified the theoretical predictions. That is, the main response mechanism is the mass loading effect, and the contribution of the acoustoelectric effect can be neglected. The expansion effect induced by hydrogen adsorption is completely different from the mass loading effect, which causes the sensing response failure, but it can be effectively improved by increasing the working temperature or decreasing the thickness of the Pd/Ni thin-film. Wide detection range (100 ppm ∼ 38 v/v %), rapid response ( t 90 ∼ 7 s), and good humidity stability are achieved from the optimized SAW H 2 sensor.
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