一种即时响应的氢气传感器（１００），使用一个或者多个石英音叉（１０１、１０２）而不涉及化学反应或者其它材料变动。传感器（１００）可用于任何测量氢气浓度百分比的应用中。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及气体传感器，尤其涉及氢气传感器。扭旦 冃足存在多种探测氢气的技术，其中的一些己经被商业化。大多数这些技术可 以被分成两类化学式传感器和基于钯的传感器。它们利用氢气与物质发生反 应的特性，或者经由如同在金属氧化物传感器中利用的化学反应，或者通过在钯中溶解并改变Pd-H系统的物理性质。在许多传感器设计方法中利用了钯溶解且存储氢气的性质，包括石英微平衡传感器，当钯膜吸收氢气而发生质量变化时该传感器检测共振振动频率的变化。 一件相关的专利是第6,029,500号美 国专利。然而，由于金属表面随时间而氧化，故而使用钯或者类似的溶氢金属 作为活性涂层会导致设备的稳定性低劣，同时在钯的情况下，由于其在高氢气 浓度下发生相位变化会引起被硫中毒(poison)或者被分离。因而，期望一种 在各种化学和物理条件下均时时稳定的传感器。附图描述附图说明图1示出本专利技术的一个实施例；图2示出根据本专利技术一个实施例构造的传感器的灵敏度的曲线； 图3示出本专利技术的另一个实施例；图4示出根据本专利技术一个实施例构造的传感器的灵敏度的曲线； 图5示出用于输出本专利技术实施例的结果的电路；图6示出本专利技术另一个实施例；以及图7示出本专利技术实施例的一个示例性应用。相似的参考标号在各附图中表示类似的元件。详细描述氢作为具有最小原子质量的元素而被公知。在热动平衡的混合气体中，无论是氢分子、氮分子、氧分子等等，分子所具有的平均能量都是 3/2kT。分子 的动量为mv，其中m是分子质量，而v是分子的平均速度，其等于(8kT/兀mf2。 因此，在给定温度下气体分子的动量将按照(m)172依赖于其质量。分子动量和 大小(有效直径)的差异将导致气体的其它宏观参数的差异，诸如粘度和扩散率。在气体环境内的振荡期间，诸如音叉等振动物给予气体分子动量，引起音 叉机械能的损耗。该种损耗导致音叉的共振振动频率的变化，并且该频率转变 将取决于音叉给予气体分子的动量。这意味着，在包括诸如氢气等轻的分子的 气体中，由于气体分子间相互作用所引起的损耗将比没有氢气的环境小。故而， 振荡的频率在氢气存在的环境下将较高。在音叉石英振荡器中，音叉以反向弯曲的模式对称地振荡，其中两叉在任 意时刻向彼此相反的方向运动。可以如下估计叉振荡的速度。叉偏转的幅度接 近60nm/V。如果叉上的驱动电压为IV，则在32768 Hz的频率下，该叉的特 征速度降为 2mm/sec。这远小于气体分子的速度(每秒几百米)，并且有可能 将该种相互作用认为是准静态的情况。因此，主要是气体的宏观特性将影响音 叉振荡频率。所述的音叉传感器对氢气以及类似氦气的可与H2相干扰的其它轻的气体 不是选择性的。为了避免干扰，有可能使用诸如Pd (钯)膜的H2-渗透膜来增 强选择性。音叉谐振器的频率变化通常较小，所以可以使用差动频率检测方法来检测 小频率的偏差。连同频率一起，当振荡能量在气体环境中耗散时，音叉谐振器的品质因数Q和电阻会变化。参照图1，本专利技术的各个实施例示出了两种ECS-327SMO型振荡器101、 102，其可被用于气体检测。该音叉振荡器罐的顶部103、 104被开砂眼(sand off)以供气体进入，并且该振荡器的输出110、 111被连接至D触发器105的 D输入和CLK输入。主振荡器(0SC1) 101被放置在需验定的包含氢气的气 体环境中。参考振荡器(OSC2) 102被用来说明气体成分的变化(诸如湿度变 化)以及温度补偿。主振荡器101的频率将随着氢气浓度而增加。因而，在触 发器输出106上的频差与氢气浓度成比例。传感器101可使用室温下混有空气的体积浓度为0至16%的氢气来表征。 可以使用两个100 sccm质量流控制器来制备该氢气一空气混合物。可以使用 Tektronix CDC250计数器来测量频率节拍间的间隔。传感器100对氢气的响应在各种范围的浓度下均非常线性。如从图2所见， 当H2浓度在振荡器101的腔室内达到16%时，可以观察到9%的差动频率变 化。图3示出了一个替代的实施例，其中两个振荡器303、 304可构成传感器 设备300，并且被用来检测气体腔室301内的氢气。传感器300具有参考振荡 器304，其被密封以防止氢气进入(罐顶未被开砂眼)。可将它们连同敞式振 荡器303彼此相邻地置入待测气体环境中。如上所述，可以使用H2渗透膜302。 在该实施例中，可以对温度变化而不对湿度变化进行交叉补偿。然则氢气的浓度可以如下计算fi=fio+kCH2;f2=fio+fi2;其中fu)是振荡器OSCl 303在没有氢气时的频率;&2则是振荡器OSCl 303 和振荡器OSC2 304在没有氢气时的频差，k是比例因子，而Cm是氢气的浓 度。最终的表达式可以如下重新计算CH2= (Af-f12) /k。在图4中示出了使用密封以及敞式罐振荡器的传感器300的测试结果。该传感器300在室温下测试，氮气的流动率是200sccm，而氢气的流动率是从0 变为10sccm。传感器300显示对H2浓度变化的接近线性响应。参照图5，由于两个振荡器频率的差值可以小到几Hz，因此测量两个频 率节拍脉冲间的时间间隔可能更加方便。在此情况下，可以使用单独的高频振 荡器(未示出)以在固定频率fo下的脉冲来填充该时间间隔。为了精确测量， 可以使用恒温器控制的石英振荡器(OCXO)来产生该种脉冲。频率节拍间的 时间间隔将是T=l/Af=l/(frf2)=l/(kCH2+f12)。如果OCXO稳定发生器具有一个频率fo，则在脉冲控制器501的输出N 的脉冲数将是N=f0T=f0/Af=f0/(kCH2+f12)。在另一个实施例中，由于氢气将改变被音叉消耗的能量， 一种用于测量音 叉振荡参数的设备检测音叉的Q因数和阻抗的变化。音叉的能量消耗可以如下表不。如果诸如音叉的机械系统具有机械阻力RM，则谐振频率fo下的品质因数 Q将是Q f0/RM。该机械阻力Rm是气体粘度V的函数，并且机械阻力RM可以表示为如下级数Rm二RmG(1+C!V+C2V2+…)其中Cl、 c2…是比例系数。对于诸如气体的具有低粘度的介质，其可被改 写为Rm:Rmo(1+c!V)其中R副是真空中的机械阻力并且其不依赖于气体粘度。 氢气的粘度比空气粘度低近两倍(0。C下8.4X l(T6Pa*s对17.4X l(T6Pa*s)， 故而在氢气浓度相对较高时机械阻力将减小。因而 RM=RMo(a-bCh2)，其中a和b是氢气和平衡气体(诸如空气)粘度的函数，而Cm是混合气体中氢气的相对浓度。则该浓度可被定义为CH2~(a- f0/QRM0)/b其中Q可以被试验性地测量。当石英音叉是电子电路的一部分时，根据定义Q=fQ/Af，可以容易地得出品质因数。可以通过在电子学(围绕fo的扫频，测量振荡脉冲(阻尼因数)的幅度衰减，等等)中使用的传统方法完成对Af的测量。由于电阻也可以是品质因数的函数，|Z(co)|2~( 1 /Q2-1 )+(co/co0)2+(co0/co)2 ，所以它也可以被用于确定氢气浓度。参照图6，另一个实施例基于诸如碳毫微管的毫微线(nonowire)或毫微管 (nanotube) 601在弯曲模式中的周期性运动(振动)的频率和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种气体传感器，包括： 具有第一频率输出的第一振荡器； 具有第二频率输出的第二振荡器，所述第一振荡器暴露于可包含待探测气体的环境，而所述第二振荡器暴露于不包含待探测气体的环境；以及 通过产生频率信号来确定气体是否被所述第一振荡器探测到的电路系统，所述频率信号是第一频率输出和第二频率输出的差。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：I帕弗洛弗斯基，
申请(专利权)人：毫微专卖股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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