[发明专利]氢传感器

说明书

本申请是美国专利申请第11/551630号的部分后续案，该申请要求美 国临时申请第60/728980号和PCT申请PCT/US2006/030314的优先权，所 有这些专利申请都通过引用结合于此。本申请是美国专利申请第 10/854,420号的部分后续案，该申请要求美国临时申请第60/475,558号和 PCT申请PCT/US2006/030314的优先权，该申请要求以下临时专利申请的优 先权：60/728,353和60/728,980，这两个申请通过引用结合于此。本申请 还要求美国临时申请第60/793,377的优先权，该临时申请通过引用结合于 此。

背景技术

使用钯金属检测气态氢的传感器是一个两步过程，其中，双原子的氢 分子在钯金属表面分裂成单原子氢，然后，单原子氢扩散到钯晶格中，造 成钯晶格膨胀(最多至5％)和引发相变(见图1)。当钯的薄膜位于两个 电触点之间时，薄膜在接触氢时会因相变而使电阻增加。电触点的接通时 间(响应时间)通常不够迅速而不能进行商业应用，比如用于氢燃料电池。

附图简述

图1是钯发生相变的薄膜氢气传感器的图解；

图2说明氢气传感器中的电流变化；

图3是位于电阻基片上的氢传感器的示意图，箭头显示电流的方向， 其中，电阻器代表基片；

图4说明一种两步的、在电阻基片上涂镀钯纳米颗粒的方法；

图5的表格说明本发明的实施方式的纳米颗粒的粒径和密度的变化；

图6(a)-6(d)列出显示本发明的实施方式的粒径和密度变化的代表性 的扫描电子显微图像；

图7图示本发明的实施方式的传感器在60℃下对40,000ppm的氢气的 响应曲线图；

图8说明传感器在60℃下对400ppm的氢气的响应曲线图；

图9是根据本发明的实施方式，直径(d)对于两个相邻的钯纳米颗粒的 颗粒间距(1)的俯视示意图；

图10A图示说明根据本发明的实施方式的传感器元件；

图10B图示说明根据本发明的实施方式的具有钛制参考元件的传感器 对；

图10C图示说明根据本发明的实施方式的与载体印刷电路板电线连接 的传感器对；

图10D图示说明根据本发明的实施方式的实心模式的有源元件；

图10E图示说明根据本发明的实施方式的条纹模式的有源元件；

图11图示说明传感器的操作；

图12图示说明用于测试所述传感器的装置；

图13(a)-(b)说明氢传感器的电阻的变化；

图14(a)-(b)说明氢传感器的初始电阻；

图15图示说明传感器对温度和浓度的响应。

发明详述

一个有待解决的问题是找到用于快速氢气传感器的粒径和密度范 围。本文公开的粒径和密度范围能在高氢气浓度下达到10秒或更短的响应 时间。

美国专利第6,849,911中公开了另一种用于生产钯基氢传感器的方 法，该方法通过电化学沉积技术在电阻基片上制造钯纳米颗粒网状物，该 专利通过引用结合于此。当钯纳米颗粒在两个电触点之间的电阻基片上发 生膨胀时，会使碰巧位于两个相邻的纳米颗粒下方的电阻基片中的微小电 阻短路。根据大规模的统计，该基片的端到端电阻与氢气的量成比例下 降。因此，该传感器测量氢气，而不只是检测它的存在。

(a)钯纳米颗粒网状物对薄膜或纳米金属丝(nanowire)(现有技术)

钯薄膜是一种连续的表面，原子间是正常的金属连接。钯薄膜对氢浓 度增加的响应具有正的系数。即，电阻随着氢浓度的增加而增加(见图1)。与 低电阻开关类似，钯纳米金属丝的电阻随着与氢接触的增加而减小(见图 2)。当纳米颗粒膨胀并沿着金属丝整体长度相互接触时，所述开关接通。它 对浓度梯度比较不敏感。当增加与氢的接触时，钯纳米颗粒网状物的电阻 响应是电阻的逐渐降低(见图3)。

(b)电阻基片和钯‘纳米开关’的使用(现有技术：美国专利第 6,849,911)