一種低成本的便攜式氫氣光學(xué)傳感器的制造方法
【專利摘要】該專利技術(shù)屬于分析及測量控制技術(shù)領(lǐng)域中的G01J。市面上的便攜式氫氣光學(xué)傳感器抗電磁干擾比較弱，因此對運(yùn)行的環(huán)境要求相對較高。本發(fā)明使用三氧化鎢和貴重金屬混合物來制備光學(xué)氫氣傳感器，該專利運(yùn)用射頻濺射方法來制備三氧化鎢薄膜，靶心為鈀。氫氣是一種清潔并取之不盡的能源。它被認(rèn)作為緩解當(dāng)今嚴(yán)峻的能源問題的一個潛在的解決方法。然而，氫氣的爆炸濃度范圍非常大，而且它所需的點(diǎn)燃能量非常低并具有非?？斓膫鞑ニ俣?。氫氣非常小的分子尺度也導(dǎo)致了它的儲藏和運(yùn)輸非常困難。因此，低成本的便攜式氫氣光學(xué)傳感器能精確、快速地應(yīng)用到各種環(huán)境的氫氣濃度探測。
【專利說明】
一種低成本的便攜式氫氣光學(xué)傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]該技術(shù)屬于分析及測量控制技術(shù)領(lǐng)域中的GOlJ。
【背景技術(shù)】
[0002]氫氣是一種清潔并取之不盡的潛在能源。它被認(rèn)作為緩解當(dāng)今嚴(yán)峻的能源問題的一個潛在的解決方法。然而，氫氣的爆炸濃度范圍非常大(4%到75%)，而且它所需的點(diǎn)燃能量非常低(0.02 mg)并具有非?？斓膫鞑ニ俣?。氫氣非常小的分子尺度也導(dǎo)致了它的儲藏和運(yùn)輸非常困難。因此，能精確，快速并實(shí)時地探測氫氣的濃度對于其未來的應(yīng)用至關(guān)重要。
[0003]目前來說，便攜式的氫氣氣敏傳感器主要分為電化學(xué)傳感器，載體催化傳感器和金屬氧化物傳感器。電化學(xué)傳感器主要是依賴貴重金屬在一定外部電壓的作用下，在常溫電解液環(huán)境下催化所吸附的氫氣并生成可探測的電流。其靈敏度非常高(ppm濃度)以及價錢相對低廉。然而它的氣體選擇性相對較低和對氮氧化物(NOx)同時具有一定的反應(yīng)。更重要的是，它的使用壽命只有3到6個月。這無疑增加了該傳感系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。
[0004]載體傳感器是基于貴重金屬在高溫的情況下(500-700攝氏度)催化氫氣并導(dǎo)致其本來的熱傳導(dǎo)屬性的改變。它的靈敏度和氣體選擇性相對較高，但同時應(yīng)為該傳感器需要的貴重金屬比較多，使到其成本也比較昂貴。而且因?yàn)樗枰容^高的運(yùn)行溫度，所以其消耗比較多的能量并導(dǎo)致其能源利用率比較低。
[0005]金屬氧化物傳感器的主要材料為金屬氧化物，在中等溫度(200到300攝氏度)催化其所吸附的氫氣和氧氣進(jìn)行反應(yīng)，從而生成可探測的電流。其靈敏度比較高和對能量需求比較低，同時其價錢也比較低。然而它的氣體選擇性卻很低，對于其他可燃?xì)怏w也有很強(qiáng)的反應(yīng)。
[0006]上述的三種傳感器的抗電磁干擾比較弱，因此對運(yùn)行的環(huán)境要求相對較高。綜合上述，市場對于一種價錢低廉，高靈敏度和氣體選擇性以及較低的能量需求和環(huán)境要求的便攜式氫氣傳感器有很強(qiáng)的需求。
[0007]三氧化鎢的氣致變色效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。在常溫氫氣環(huán)境下，三氧化鎢和貴重金屬混合物的顏色從幾乎透明轉(zhuǎn)變成深藍(lán)色；同時當(dāng)轉(zhuǎn)換回氧氣時，它變回原來的透明狀態(tài)。因此，該機(jī)理可應(yīng)用于制備光學(xué)氫氣傳感器。該傳感器平臺對于電磁干擾幾乎免疫，因此可廣泛應(yīng)用于各種殘酷的工業(yè)環(huán)境下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]該專利運(yùn)用射頻濺射的方法來制備三氧化鎢薄膜。薄膜基座為15 mm (長)X 15mm (寬)X I mm (厚)的玻璃或者石英片。靶心為99.95%純度的鎢，濺射功率為60-100瓦，初始?xì)鈮涸O(shè)定為少于10-5 torr，制備溫度為150到400攝氏度。通入氣體為90%的氧氣10%的氬氣或者是氮?dú)猓瑲鈮嚎刂圃?-3 X 10-2 torr.薄膜厚度制備率為6.5 ±0.5nm每分鐘.薄膜厚度控制在500 nm到1500 nm之間。然后更換靶心為99.95%純度的鈀，制備溫度為常溫，濺射功率與初始?xì)鈮翰蛔?，氣體改為100%的氬氣或者是氮?dú)?，鈀涂層的制備率為7 土 0.5 nm每分鐘，其厚度控制在2到4 nm之間。
[0009]圖1為薄膜表面的掃描電子顯微鏡圖。從圖中可以看出，薄膜表面很均勻。三氧化鎢顆粒大小為50 nm并緊湊地排列在一起。鈀涂層的形狀不明顯。圖2為薄膜橫截面的掃描電子顯微鏡圖。該圖顯示出三氧化鎢為柱狀納米結(jié)構(gòu)。
[0010]在圖3中，X光衍射儀顯示以此方法制備的三氧化鎢薄膜具有單斜晶體結(jié)構(gòu)(JCPDS#43_1035)。圖中的衍射峰對應(yīng)為(200)，(220)，(022), (410)，(401)和(600)的晶面。因?yàn)殁Z含量很少，故圖2沒有明顯的鈀的衍射峰。
[0011]圖4為薄膜的光吸收屬性。沒有鈀涂層的三氧化鎢薄膜的光吸收率很低，大概在
0.1左右并呈幾乎透明狀態(tài)。吸收峰呈波浪形。這是因?yàn)楫?dāng)光通過薄膜時，三氧化鎢的納米柱狀結(jié)構(gòu)對光產(chǎn)生了反射效應(yīng)。當(dāng)把鈀涂層沉淀在三氧化鎢薄膜上的時候，光吸收率有所上升，但幅度不大。波浪形狀的吸收峰并沒有改變。
[0012]當(dāng)薄膜暴露到1%的氫氣和99%的空氣的時候，圖5顯示了在10分鐘內(nèi)和常溫下，薄膜的光吸收率大大上升，尤其在700 nm的光波長之后。同時波浪形狀的吸收峰消失。
[0013]根據(jù)這些薄膜的特性可以制造一種低溫的氫氣光學(xué)傳感器。具體設(shè)計顯示在圖6和圖7。第一部分為可置換式的氫氣光學(xué)傳感器核心元件部分(圖6)。三氧化鎢薄膜封裝在以高溫塑料為材料的模具中。在薄膜后面，距離薄膜中心上部分的10 mm處和下部分的
10_處各放置一個微型的加熱器。薄膜中心的后面不放置任何東西。模具有進(jìn)氣口和出氣口。進(jìn)氣口里放置基于沸石(ZEOLITE)的分子篩用來減少進(jìn)氣的濕度和提高傳感器的氫氣選擇性。
[0014]第二部分為傳感器的配套零件(圖7)。光源為一個具有I mW到10 mff功率的LED固定在傳感器封裝的一邊。其波長應(yīng)在633 nm到1064 nm之間。另外一邊為光電探測器包括光二極管，光三極管以及光電阻。其探測的波長應(yīng)和安裝的LED吻合。LED和光電探測器之間的距離應(yīng)與核心元件模塊的寬度吻合。光電探測器的信號通過微處理器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并在IXD屏幕上顯示。微處理器還控制核心元件里的微加熱器的電流，從而使加熱器的溫度控制在60攝氏度到100攝氏度之間。該傳感系統(tǒng)的電源可以為鋰電池或者是外接AC電源。
[0015]圖8描述了該傳感器在不同濃度的氫氣中的反應(yīng)。氫氣濃度在0.06%到1%之間。背景氣體為空氣。運(yùn)行溫度為100攝氏度。光電傳感器輸出的信號為電流強(qiáng)度。從圖中可以得出傳感器的響應(yīng)時間通常少于I分鐘而恢復(fù)時間少于2分鐘。傳感器的靈敏度隨氫氣的濃度呈接近于線性的變化。因此，該傳感器滿足了當(dāng)今石油化工，汽車產(chǎn)業(yè)，新能源儲備等行業(yè)對氫氣監(jiān)控的要求。
[0016]該傳感器對其他普遍的工業(yè)氣體，如二氧化碳，甲烷，硫化氫和二氧化氮等并沒有明顯的反應(yīng)。
[0017]【附圖說明】:
圖1是具有鈀涂層的三氧化鎢薄膜表面的掃描電子顯微鏡圖圖2是具有鈀涂層的三氧化鎢薄膜側(cè)面的掃描電子顯微鏡圖圖3是具有鈀涂層的三氧化鎢薄膜的X光衍射頻譜圖圖4是純?nèi)趸u薄膜和具有鈀涂層的三氧化鎢薄膜的可見光-近紅外吸收特性圖圖5是在氫氣環(huán)境下具有鈀涂層的三氧化鎢薄膜的可見光-近紅外吸收特性圖圖6是基于具有鈀涂層的三氧化鎢薄膜的氫氣光學(xué)傳感器核心元件圖圖7是便攜式氫氣光學(xué)傳感器示意圖圖8是傳感器在100攝氏度工作溫度下對不同濃度氫氣的反應(yīng)圖
【主權(quán)項(xiàng)】
1.該專利運(yùn)用射頻濺射的方法來制備三氧化鎢薄膜。2.薄膜基座為15mm (長)X 15 mm(寬)X I mm(厚)的玻璃或者石英片。3.靶心為99.95%純度的鎢，濺射功率為60-100瓦，初始?xì)鈮涸O(shè)定為少于10_5 torr，制備溫度為150到400攝氏度。4.通入氣體為90%的氧氣10%的氬氣或者是氮?dú)?，氣壓控制?-3X 10-2 torr.薄膜厚度制備率為6.5 土 0.5 nm每分鐘.薄膜厚度控制在500 nm到1500 nm之間。5.然后更換靶心為99.95%純度的鈀，制備溫度為常溫，濺射功率與初始?xì)鈮翰蛔?，氣體改為100%的氬氣或者是氮?dú)猓Z涂層的制備率為7 土 0.5 nm每分鐘，其厚度控制在2到4 nm之間。
【文檔編號】G01N21/27GK105891126SQ201510384621
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年6月30日
【發(fā)明人】周輝, 張冠中, 高萍
【申請人】四川智立方博導(dǎo)科技有限責(zé)任公司