具有活性层的氢气传感器和生产氢气传感器的方法技术

包含材料的活性层沉积于其上的基质(S)的氢气传感器，所述材料包含选自稀土族的第一元素、选自铂系金属(PGM)的第二元素和选自碱土金属族的第三元素。所述材料的一个实例为LaMg2Pd。

Hydrogen sensor with active layer and method of producing hydrogen sensor

【技术实现步骤摘要】
具有活性层的氢气传感器和生产氢气传感器的方法本申请是申请号为201280034866.3、申请日为2012年6月6日、专利技术名称为“具有活性层的氢气传感器和生产氢气传感器的方法”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及氢气传感器和并入这类传感器的氢气检测器，所述检测器容许检测氢气和/或测量传感器置于其中的介质中的氢气浓度。本专利技术还涉及生产氢气传感器的方法。
技术介绍
具有有关特征的已知氢气检测器和传感器是生产起来昂贵的产品，因此对在整个市场中的使用而言具有有限的意义。提出较便宜的技术的解决方法涉及特征，例如关于能够测量和/或检测的所考虑浓度范围和/或在几种其它气体中测量或检测氢气的可能性等的明显限制。为克服这些各个缺点，本专利技术提供不同的技术方法。
技术实现思路
首先，本专利技术的第一目的是提供氢气传感器和并入这类传感器的检测器，其具有与现有氢气传感器和检测器相比有利的成本价格。本专利技术的另一目的是提供用于测量和检测0-100％H2浓度范围内的氢气浓度的氢气传感器和检测器。本专利技术的又一目的在于提供精确且可靠的氢气传感器和检测器。最后，本专利技术的又一目的在于提供用于测量和检测其它气体混合物中氢气的存在的传感器和检测器。因此，本专利技术涉及包含材料的活性层沉积于其上的基质的氢气传感器，所述材料包含第一元素、第二元素和第三元素，所述第一元素选自稀土族或至少两种稀土族元素的组合，第二元素选自铂系金属(PGM)或至少两种铂系金属(PGM)元素的组合(或后者元素的组合)，且第三元素选自碱土金属族或至少两种碱土金属族元素的组合。活性层的电阻以与接触该活性层的氢气的浓度基本成比例的方式变化，这使得可使用该层作为氢气传感器。另外，活性层的电阻主要取决于氢气分压，而不是传感器置于其中的介质的总气体压力。此外，活性层上的反应是可逆的，且活性层即使在氢气吸收和解吸的几个循环以后保持完整。活性层在环境温度下在巨大的氢气浓度范围内是可用且有效的。传感器的响应非常迅速且信号再现性好。金属化合物如LaMg2Pd的使用可产生可用作传感器的活性层。在一个变化方案中，活性层用于测量氢气。测量证明氢致绝缘-金属转变在部分充有LaMg2PdH3组合物的相与完全充满LaMg2PdH7组合物的相之间在基本环境温度和基本低氢气压力下发生。活性层的第一元素优选选自镧系。甚至更优选，活性层的第一元素选自副族，包括镧、铈、镨、钕、钐、铓，或至少两种该副族的金属元素的组合。优选，活性层的第二元素选自钯和铂。优选，活性层的第三元素选自镁和钙。甚至更优选，活性层的第三元素由镁形成。活性层具有1nm-0.1mm，更优选5-10,000nm，甚至更优选50-1,500nm的厚度。有利地，基质包含选自钛酸锶(SrTiO3)、玻璃(硼硅酸盐)、硅和云母的材料。当然，适于使用常规真空沉积方法使活性金属层沉积的任何其它材料可预期作为基质。在有利实施方案中，活性层涂有由钯和/或铂形成的涂层。根据另一方面，本专利技术涉及包含氢气传感器和连接在所述传感器上的电子测量组件的氢气检测器，其中配置所述电子组件以测量所述传感器的状态参数且能够输出代表传感器置于其中的介质中的氢气浓度的电测量信号，其特征在于所述氢气传感器为包含材料的活性层沉积于其上的基质的氢气传感器，所述材料包含第一元素、第二元素和第三元素，所述第一元素选自稀土族或至少两种稀土族元素的组合，第二元素选自铂系金属(PGM)或至少两种铂系金属(PGM)元素的组合(或其组合)，且第三元素选自碱土金属族或至少两种碱土金属族元素的组合。根据检测器的有利特征，配置电子测量组件以测量活性层的电阻并将代表所述电阻的信号输送至例如处理系统或储存系统，然后输送至显示器件。根据本专利技术氢气检测器的一个特定实施方案，电子测量组件进一步包含连接在所述传感器上的比较器，且代表通过该组件所测量的氢气浓度的电测量信号从所述传感器输入所述比较器，配置所述比较器以输出作为所述输入信号与至少一个预定阈值信号的对比的函数的检测信号，并且优选配置电子测量组件使得至少一个预定阈值信号是可编程的。本专利技术进一步提供生产氢气传感器的方法，其包括如下步骤：-取得适于活性金属层应用的基质；-将活性金属层沉积于所述基质上，其中活性金属层由一种材料形成，所述材料的第一元素选自稀土族或至少两种稀土族元素的组合，第二元素选自铂系金属(PGM)或至少两种铂系金属(PGM)元素的组合，且第三元素选自碱土金属族或至少两种碱土金属族元素的组合。所用方法执行起来特别简单，因此是便宜的，提供良好再现性，并且可在压实设备中进行。活性层沉积有利地使用物理气相沉积方法(PVD)，优选通过阴极溅射进行。在这后一种情况下，阴极溅射气氛主要由氩气形成。另外，在阴极溅射的情况下，在沉积以前将基质加热至至少250℃的温度，优选加热至300℃的温度。在可选实施方案中，活性层沉积通过真空蒸发进行。本专利技术还涉及选自LaMg2Pd、LaMg2Pt、Sc(x)La-1--x)Mg2Pd、La(1-x)Ce(x)Mg2Pd、LaMg(2-x)Ca(x)Pd、LaMg2Pd(1--x)Pt(x)(0<x<1)的化合物产生氢气传感器的活性层的用途，所述氢气传感器用于评估与所述活性层接触的氢气的存在或浓度。优选LaMg2Pd用于形成氢气传感器的活性层，所述氢气传感器用于评估与所述活性层接触的氢气的存在或浓度。本专利技术还涉及上述化合物的用途，其中所述活性层与所述传感器插入其中的介质的氢气形成具有根据所述介质中的氢气浓度变化的组成的氢化物，所述氢化物的各特定组成相应于所述活性层的特定电阻值。附图说明本专利技术氢气传感器和检测器的其它特征和优点也显示于以下本专利技术传感器和检测器的实施方案的详细描述中，该描述参考作为非限定性实例给出的附图进行，且其中：-图1为显示对于在环境温度(25℃)下经受一系列纯氢气吸收和解吸循环的本专利技术传感器，随时间过去的相对电阻演变的图。-图2a为显示对于本专利技术传感器，对于三个典型氢气浓度，随时间过去的绝对电阻演变的图。-图2b为显示对于经受至多300毫巴的氢气分压和700-900毫巴的氩气分压的本专利技术传感器，相对电阻演变的图。-图3a为本专利技术氢气传感器的截面图。-图3b为并入本专利技术氢气传感器的氢气检测器的一个实施方案的图。具体实施方式“铂系金属”(PGM)意指钌、铑、锇、铱、铂、铼、钯或这些元素的组合。“碱土金属”意指镁、钙、锶、钡或这些元素的组合。稀土金属意指镧、铈、镨、钕、钐、铓、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或这些元素的组合。图3a显示本专利技术传感器1的实例。它包括基质S，例如厚度为100μm的膜的形式，薄活性层2沉积于其上。传感器1借助它的层2连接在电子组件3上，配置所述电子组件3以测量传感器的状态参数，在这种情况下，层2的电阻，借助4个(或在一个变化方案中2个)电连接4以形成图3b所示检测器D。在可选实施方案中，电子组件3和基质S结合以形成单一元件。设计组件3以例如通过四点法或通过任何其它合适方法测量活性层的电阻，并输送代表传感器置于其中的介质中的氢气浓度的测量信号。该测量信号通过电子电路加工，然后使所测量的浓度值显示于显示屏A上。根据可选实施方案，可配置电子测量组件3以输送检测氢气的存在的信号。在该情况下，电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.包含材料的活性层(2)沉积于其上的基质(S)的氢气传感器，所述材料包含含有第一元素、第二元素和第三元素的组合物，所述第一元素选自稀土族或至少两种稀土族元素的组合，第二元素选自铂系金属(PGM)或至少两种铂系金属(PGM)元素的组合，且第三元素选自碱土金属族或至少两种碱土金属族元素的组合，所述传感器用于环境温度下氢气的吸收和解吸，其中活性层具有1nm‑0.1mm，更特别地5‑10,000nm，甚至更特别地50‑1,500nm的厚度。

【技术特征摘要】
2011.07.15 CH 01191/111.包含材料的活性层(2)沉积于其上的基质(S)的氢气传感器，所述材料包含含有第一元素、第二元素和第三元素的组合物，所述第一元素选自稀土族或至少两种稀土族元素的组合，第二元素选自铂系金属(PGM)或至少两种铂系金属(PGM)元素的组合，且第三元素选自碱土金属族或至少两种碱土金属族元素的组合，所述传感器用于环境温度下氢气的吸收和解吸，其中活性层具有1nm-0.1mm，更特别地5-10,000nm，甚至更特别地50-1,500nm的厚度。2.根据权利要求1的氢气传感器，其中活性层的第三元素选自镁或钙或这些元素的组合。3.根据权利要求1或2的氢气传感器，其中活性层的第二元素选自钯或铂或这些元素的组合。4.根据权利要求1-3中任一项的氢气传感器，其中活性层的第一元素选自稀土族或至少两种稀土族元素的组合。5.根据权利要求1-3中任一项的氢气传感器，其中活性层的第一元素选自副族，包括镧、铈、镨、钕、钐、铓，或至少两种该副族的金属元素的组合。6.根据前述权利要求中任一项的氢气传感器，其中基质包含选自钛酸锶、玻璃、硅和云母的材料。7.根据前述权利要求中任一项的氢气传感器，其中活性层由选自如下的材料形成：LaMg2Pd、LaMg2Pt、Sc(x)La(1-x)Mg2Pd、La(1-x)Ce(x)Mg2Pd、LaMg(2-x)Ca(x)Pd、LaMg2Pd(1-x)Pt(x)(0<x<1)等。8.根据前述权利要求中任一项的氢气传感器，其中活性层涂有包含钯和/或铂的涂层。9.包含氢气传感器和连接在所述传感器上的电子测量组件(3)的氢气检测器，其中配置所述电子组件以测量所述传感器的状态参数且能够输出代表传感器置于其中的氢气浓度的电测量信号，其特征在于所述氢气传感器为根据权利要求1-8中任一项的传感器。10.根据权利要求9的氢气检测器，其特征在于配置电子测量组件(3)以测量活性层的电阻，并将代表所述电阻的信号输送至处理系统或储存系统，然后输送至显示器件。11.根据权利要求9或10的氢气检...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·克劳斯，E·科勒，JP·拉平，M·斯塔尔德，
申请(专利权)人：斯沃奇集团研究和开发有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH