[发明专利]生产氢气检测传感器的方法和所得传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产氢气检测传感器的方法，外加使用此方法生产的传感器。

本发明的主要应用在于热电太阳能发电领域，用于检测由于用于此行业的载热流体的分解可能产生的氢气。开发的传感器也推荐用于需要在多种工业环境中检测痕量氢气的应用中。

背景技术

尽管在科学和专利文献目录中，已报导大量的氢气检测方法，其基于测量如ZnO、SnO₂、TiO₂等的氧化物半导体中的传导性变化的过程，一般使用能够使分子氢解离的金属粒子(例如Pt、Pd等)的存在活化，其重要缺点为其必须在高温(环境温度以上)下操作的必要性，这除了需要限局性的加热系统以外，还造成待检测的氢气在空气中或与氧气混合的情况下诱发爆炸的危险。

由于这些缺点，在目前先进技术中，存在氢气检测传感器，其在环境温度下操作且基于不具有倾向于产生能够产生气体着火的火花的电路的颜色变化(发色团传感器)原理。实现所述颜色变化的典型方式由将易于可还原的氧化物，如WO₃、MO₃、ZnO等与能够在低温下使氢气分子解离的如Pt、Pd等的金属粒子混合构成。此概念方法已为各种著作的目标且已要求于如JP2007155650-A、JP2011021911-A的专利中。这种类型的系统的操作能力的极重要条件为氧化物具有高孔隙率以促进所讨论的气体(在此状况下为氢气)与氧化物之间的广泛接触。此高孔隙率也使得系统的更昂贵要素，金属(Pt、Pd等)能够以小粒子形式分散，因此减少待使用的总量。这些条件迫使目前先进技术的装置以粉末形式使用氧化物，这在其于衬底上处理和固定中涉及各种困难，也阻止使用需要非光可分散材料的光学检测方法。

处理这些困难，专利WO2009133997要求使用磁控溅镀技术开发呈薄层形式的传感器，其中以致密形式制备的如WO₃的氧化物插入衬底与同样使用磁控溅镀制备的连续且致密的Pt-Pd层之间。此架构使得当Pt-Pd外层暴露于氢气时氧化物WO₃能够改变颜色，尽管其可在调节颜色变化的量值时有问题，鉴于经由致密层扩散的困难，其仅将在与金属层紧密接触的WO₃的原子层中出现。

考虑到以上情形，本发明提出目标为解决存在于目前先进技术中的H₂传感器的缺点的生产H₂传感器的新方法。

本发明中所公开的方法为简单方法，其使得成本能够最小化，因为其使得生产传感器所需的活性金属的量达到最佳，外加提供具有以下优点的H₂传感器：

-其能够在环境温度且最多约550℃下工作

-其允许用肉眼光学检测H₂。

-其为可逆的传感器，所述传感器在存在H₂的情况下改变颜色且在不存在所述气体的情况下返回到其正常状态

其为累积传感器，其颜色随着暴露于H₂气体而增加，另外还随着所述气体的浓度而增加。

发明内容

本发明涉及一种制备视觉氢气传感器，即由于在氢气的存在下传感器中的颜色变化而允许用肉眼光学检测介质中的所述气体的方法。

生产本发明的氢气传感器的方法包含以下时期或阶段：

阶段1：使用物理气相沉积(PVD)在衬底上沉积活性氧化物。沉积几何为掠射角度，优选地在60-90°之间(GLAD)。这产生氧化物的多孔层。

活性氧化物为在完全氧化状态下不吸收可见光，但当由于暴露于氢原子而部分还原时着色的化合物。这是由于如下事实：存在于氧化物结构中的金属阳离子可通过其与氢气的相互作用而经历其形式氧化态从高值到较低值的还原，且在其氧化态的变化下，阳离子具有在可见光谱范围内的光吸收。

所述活性氧化物可为简单或混合的。

活性简单氧化物为包含单一金属元素的氧化物且其在其暴露于氢原子之后，其结构的一些阳离子经还原时获取某一着色。

优选地，在活性简单氧化物中的为包含选自IVB、VB、VIB、IIB、IIIA、IVA族的金属的金属氧化物。

更优选地，在沉积的活性简单氧化物中的为以下各者：WO₃、MoO₃、Ta₂O₅、TiO₂、ZnO、V₂O₅、SnO₂和In₂O₃。