[发明专利]催化合金氢传感器装置和方法

说明书

发明领域

本发明涉及氢传感器，更具体地涉及用于模块化(modular)氢传感器系统的组合件(assembly)，所述系统采用催化合金氢传感器。

发明背景

长期以来，化学传感设备对于监视各种工艺过程是有帮助的。特别是氢传感器，已经在许多应用中被采用。氢传感器经改进后所得到的传感器能够检测宽范围的氢浓度，而且信号可重现。它们对氢浓度的变化响应迅速、可逆，而且表现出抗中毒。

一类特殊的氢传感器出现于1990年代早期，其时圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratory)开发了一种单芯片氢传感器，它用铂-镍(PdNi)催化合金作为氢气传感器。PdNi催化合金沉积在金属氧化物半导体(CMOS)上，参见美国专利第5279795号，其内容通过参考并入本文。第5279795号专利所述传感器的一个重要益处是，它能够在氢浓度变化至少达6个数量级的动态范围内进行检测。用来解决氢浓度检测问题的现有固态传感器通常局限于检测低浓度的氢。这些解决方案包括例如这样的技术：金属绝缘体-半导体(MIS)或金属氧化物-半导体(MOS)电容器和场效应晶体管(FET)，以及铂栅极二极管(palladium-gated diodes)。第5279795号专利中的传感器还在100-140℃的大温度范围内提供了可靠的性能，能够可靠地用于各种环境，如真空环境、无氧常温常压环境、存在不利振动的环境和辐射环境。

一般地，PdNi催化合金经证实可成功用于许多应用，但其他合金也可用于探测氢。例子包括镍与催化金属如铂、铑，以及钯与铜、钯与铂、铂与铬的合金，它们同样有效。

第5279795号专利所述氢传感器是氢传感技术领域的显著进步。然而，它主要限于实验室环境，因为制造这种传感器遇到了困难。由于所用材料特殊，据信制造这种半导体器件所遇到的困难将导致生产器件的产率低下。若产率低于可接受的水平，则难以获得在经济上存在商业化可能性的氢传感器。

为提高器件的产率，人们发展了若干技术，试图制造可商业化的单芯片氢传感器。有两种这样的技术分别见述于题为“高效单芯片氢传感器(RobustSingle-Chip Hydrogen Sensor)”的美国专利第6450007号、题为“可制造的单芯片氢传感器(Manufacturable Single-Chip Hydrogen Sensor)”的美国专利第6730270号和题为“用于单芯片氢传感器的可渗透保护性涂料(Permeable Protective Coating for a Single-Chip Hydrogen Sensor)”的美国专利第6634213号，其内容全部通过参考并入本文。如今，由桑地亚国家实验室原创的几类采用PdNi催化合金的不同氢传感器在市场上有售。

从总体上看，这些氢传感器是利用催化合金吸附氢后其电阻或电导的变化来工作的。当合金处于含氢环境时，催化合金中的铂金属成分催化分子氢H₂的反应，形成原子氢2H。然后，原子氢移动到PdNi合金膜的晶格中。合金中的氢密度达到平衡，该密度与合金所处气相环境中的氢浓度成正比。吸附到PdNi合金晶格中的氢改变了合金晶格中的电荷密度，从而导致合金的电学变化而非化学变化。该器件就是通过此机制探测到H₂分压的。

传感器对其所处环境中氢的变化具有很短的响应时间。第5279795号专利展示了传感器的这种快速响应，其方法是跟踪传感器循环暴露于含1％氢的气体中然后用氢吹扫的响应时间。此实验还表明，传感器的响应是可逆的。当从环境中清除氢时，传感器同它检测到氢的存在一样，迅速跟踪到氢的损失。

最后，因为检测机制是催化合金的电学变化，所以传感器不受烃干扰。若考虑到传感器的可能应用，该特征尤其重要。对于需要监视或测量氢的应用，不是本领域所有的氢传感器都会在每种应用中充分发挥作用。采用不同技术的传感器具有各自独特的局限性。例如，一类传感器可能受到环境中某种成分的限制干扰，而另一类传感器可能在相同的环境中成功地发挥作用。对于通常存在烃的领域如精炼工艺过程，以及包含石油化工产品和特殊化学品的化学品来说，不受烃干扰的氢传感器开辟了一系列应用。其他应用可包括氢纯化操作、变压吸附工艺过程和控制或监视废物流。此外，相比于其他传感器，用于该发明的氢传感器可在更高的温度下操作，比其他传感器具有更快的输出速度，因此更宽范围的应用可采用该传感器。