CN105891126A - 一种低成本的便携式氢气光学传感器 - Google Patents
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Abstract
该专利技术属于分析及测量控制技术领域中的G01J。市面上的便携式氢气光学传感器抗电磁干扰比较弱，因此对运行的环境要求相对较高。本发明使用三氧化钨和贵重金属混合物来制备光学氢气传感器，该专利运用射频溅射方法来制备三氧化钨薄膜，靶心为钯。氢气是一种清洁并取之不尽的能源。它被认作为缓解当今严峻的能源问题的一个潜在的解决方法。然而，氢气的***浓度范围非常大，而且它所需的点燃能量非常低并具有非常快的传播速度。氢气非常小的分子尺度也导致了它的储藏和运输非常困难。因此，低成本的便携式氢气光学传感器能精确、快速地应用到各种环境的氢气浓度探测。
Description
技术领域
该技术属于分析及测量控制技术领域中的
G01J
。
背景技术
氢气是一种清洁并取之不尽的潜在能源。它被认作为缓解当今严峻的能源问题的一个潜在的解决方法。然而，氢气的***浓度范围非常大(4%到75%)，而且它所需的点燃能量非常低（0.02 mg）并具有非常快的传播速度。氢气非常小的分子尺度也导致了它的储藏和运输非常困难。因此，能精确，快速并实时地探测氢气的浓度对于其未来的应用至关重要。
目前来说，便携式的氢气气敏传感器主要分为电化学传感器，载体催化传感器和金属氧化物传感器。电化学传感器主要是依赖贵重金属在一定外部电压的作用下，在常温电解液环境下催化所吸附的氢气并生成可探测的电流。其灵敏度非常高（ppm浓度）以及价钱相对低廉。然而它的气体选择性相对较低和对氮氧化物（NOx）同时具有一定的反应。更重要的是，它的使用寿命只有3到6个月。这无疑增加了该传感***的维护费用。
载体传感器是基于贵重金属在高温的情况下（500-700摄氏度）催化氢气并导致其本来的热传导属性的改变。它的灵敏度和气体选择性相对较高，但同时应为该传感器需要的贵重金属比较多，使到其成本也比较昂贵。而且因为所需要比较高的运行温度，所以其消耗比较多的能量并导致其能源利用率比较低。
金属氧化物传感器的主要材料为金属氧化物，在中等温度（200到300摄氏度）催化其所吸附的氢气和氧气进行反应，从而生成可探测的电流。其灵敏度比较高和对能量需求比较低，同时其价钱也比较低。然而它的气体选择性却很低，对于其他可燃气体也有很强的反应。
上述的三种传感器的抗电磁干扰比较弱，因此对运行的环境要求相对较高。综合上述，市场对于一种价钱低廉，高灵敏度和气体选择性以及较低的能量需求和环境要求的便携式氢气传感器有很强的需求。
三氧化钨的气致变色效应发现于20世纪70年代。在常温氢气环境下，三氧化钨和贵重金属混合物的颜色从几乎透明转变成深蓝色；同时当转换回氧气时，它变回原来的透明状态。因此，该机理可应用于制备光学氢气传感器。该传感器平台对于电磁干扰几乎免疫，因此可广泛应用于各种残酷的工业环境下。
发明内容
该专利运用射频溅射的方法来制备三氧化钨薄膜。薄膜基座为15 mm（长）× 15 mm(宽) × 1 mm(厚) 的玻璃或者石英片。靶心为99.95%纯度的钨，溅射功率为60-100瓦，初始气压设定为少于10-5 torr，制备温度为150到400摄氏度。通入气体为90%的氧气10%的氩气或者是氮气，气压控制在1-3 x 10-2 torr. 薄膜厚度制备率为6.5 ± 0.5 nm 每分钟. 薄膜厚度控制在500 nm到1500 nm之间。然后更换靶心为99.95%纯度的钯，制备温度为常温，溅射功率与初始气压不变，气体改为100% 的氩气或者是氮气 ，钯涂层的制备率为7 ± 0.5 nm每分钟, 其厚度控制在2 到4 nm 之间。
图1为薄膜表面的扫描电子显微镜图。从图中可以看出，薄膜表面很均匀。三氧化钨颗粒大小为50 nm并紧凑地排列在一起。钯涂层的形状不明显。图2为薄膜横截面的扫描电子显微镜图。该图显示出三氧化钨为柱状纳米结构。
在图3中，X光衍射仪显示以此方法制备的三氧化钨薄膜具有单斜晶体结构（JCPDS#43_1035）。图中的衍射峰对应为（200），（220）， (022), (410)， (401) 和（600） 的晶面。因为钯含量很少，故图2没有明显的钯的衍射峰。
图4为薄膜的光吸收属性。没有钯涂层的三氧化钨薄膜的光吸收率很低，大概在0.1左右并呈几乎透明状态。吸收峰呈波浪形。这是因为当光通过薄膜时，三氧化钨的纳米柱状结构对光产生了反射效应。当把钯涂层沉淀在三氧化钨薄膜上的时候，光吸收率有所上升，但幅度不大。波浪形状的吸收峰并没有改变。
当薄膜暴露到1%的氢气和99%的空气的时候，图5显示了在10分钟内和常温下，薄膜的光吸收率大大上升，尤其在700 nm的光波长之后。同时波浪形状的吸收峰消失。
根据这些薄膜的特性可以制造一种低温的氢气光学传感器。具体设计显示在图6和图7。第一部分为可置换式的氢气光学传感器核心元件部分（图6）。三氧化钨薄膜封装在以高温塑料为材料的模具中。在薄膜后面，距离薄膜中心上部分的10 mm处和下部分的10 mm处各放置一个微型的加热器。薄膜 中心的后面不放置任何东西。模具有进气口和出气口。进气口里放置基于沸石（ZEOLITE）的分子筛用来减少进气的湿度和提高传感器的氢气选择性。
第二部分为传感器的配套零件（图7）。光源为一个具有1 mW到10 mW功率的LED固定在传感器封装的一边。其波长应在633 nm 到1064 nm之间。另外一边为光电探测器包括光二极管，光三极管以及光电阻。其探测的波长应和安装的LED吻合。LED和光电探测器之间的距离应与核心元件模块的宽度吻合。光电探测器的信号通过微处理器转换成数字信号并在LCD屏幕上显示。微处理器还控制核心元件里的微加热器的电流，从而使加热器的温度控制在60 摄氏度到100摄氏度之间。该传感***的电源可以为锂电池或者是外接AC电源。
图8描述了该传感器在不同浓度的氢气中的反应。氢气浓度在0.06%到1%之间。背景气体为空气。运行温度为100摄氏度。光电传感器输出的信号为电流强度。从图中可以得出传感器的响应时间通常少于1分钟而恢复时间少于2分钟。传感器的灵敏度随氢气的浓度呈接近于线性的变化。因此，该传感器满足了当今石油化工，汽车产业，新能源储备等行业对氢气监控的要求。
该传感器对其他普遍的工业气体，如二氧化碳，甲烷，硫化氢和二氧化氮等并没有明显的反应。
附图说明：
图1是具有钯涂层的三氧化钨薄膜表面的扫描电子显微镜图
图2是具有钯涂层的三氧化钨薄膜侧面的扫描电子显微镜图
图3是具有钯涂层的三氧化钨薄膜的X光衍射频谱图
图4是纯三氧化钨薄膜和具有钯涂层的三氧化钨薄膜的可见光-近红外吸收特性图
图5是在氢气环境下具有钯涂层的三氧化钨薄膜的可见光-近红外吸收特性图
图6是基于具有钯涂层的三氧化钨薄膜的氢气光学传感器核心元件图
图7是便携式氢气光学传感器示意图
图8是传感器在100摄氏度工作温度下对不同浓度氢气的反应图
Claims (5)
1.该专利运用射频溅射的方法来制备三氧化钨薄膜。
2.薄膜基座为15 mm（长）× 15 mm(宽) × 1 mm(厚) 的玻璃或者石英片。
3.靶心为99.95%纯度的钨，溅射功率为60-100瓦，初始气压设定为少于10-5 torr，制备温度为150到400摄氏度。
4.通入气体为90%的氧气10%的氩气或者是氮气，气压控制在1-3 x 10-2 torr. 薄膜厚度制备率为6.5 ± 0.5 nm 每分钟. 薄膜厚度控制在500 nm到1500 nm之间。
5.然后更换靶心为99.95%纯度的钯，制备温度为常温，溅射功率与初始气压不变，气体改为100% 的氩气或者是氮气 ，钯涂层的制备率为7 ± 0.5 nm每分钟, 其厚度控制在2 到4 nm 之间。
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