热电薄膜氢气传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一款热电薄膜氢气传感器。本实用新型专利技术借助射频磁控溅射技术制备出室温下具有较高Ｓｅｅｂｅｃｋ系数的Ｂｉ↓［０．５］Ｓｂ↓［１．５］Ｔｅ↓［３］热电薄膜，将催化剂层在热电薄膜一端用导热胶粘结，并用银浆在热电薄膜两端将电导线引出电压信号，配合乘法电路模块、数字显示板和报警器集成出氢气传感器。该传感器具有灵敏度高、氢选择性好、结构简单、能耗低、工作温度低等优点，弥补了传统氢气传感器对还原性气体具有广谱效应，无法对混有其他可燃气体的氢气浓度是否达到爆炸极限做出准确判断的不足，可广泛用于燃料电池汽车、微型飞行器、深海装置、加氢站等涉及氢生产、储存和运输的各类场合，实现对氢气浓度的实时监测和危险报警，为氢能的安全利用提供重要保障。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种氢气的泄漏检测、浓度测量和爆炸极限报警装置，具体涉及一种新型的氢气传感器。
技术介绍
随着能源与环境问题的日渐突出，氢在环保和战略上的重要性受到越来越多的关注。氢具有来源广泛、可再生、发热值高、无毒、无腐蚀、燃烧产物洁净等优点，成为可替代石油的最理想能源。氢气传感器的研究是氢能研究的重要方面，尤其是当前针对燃料电池汽车、微型飞行器、深海装置、加氢站等方面的应用，面向微动力氢气系统的微小型传感器件的开发已经成为世界性的重点课题。氢是一种发热值高、环保的绿色能源，但同时又具有易燃易爆的特性。当空气中的氢气含量在4.65％至93.9％范围之内时，遇到明火就会发生爆炸，使得氢能在生产、存储、输送、使用等一系列过程具有很大的危险性。氢的分子半径小，只要有微小的孔隙就会发生泄漏，同时氢具有无色、透明、无味的物理性质，即使泄漏也无法被直接感知，并且氢燃烧时发出光的波长属红外区域，人肉眼无法分辨。所有这些性质都给氢气的泄漏监测带来较大的难度，高性能氢气传感器的开发是氢能应用的重要前提。目前普遍使用的氢气传感器主要是电化学型和半导体氧化物型，但它们在使用中分别具有以下不足电化学传感器易对设备产生腐蚀，而且体积较大，气敏特性不够理想，且需经常更换电解液；而半导体氧化物传感器的工作温度高(200-400℃)，气体选择性差(对可燃气体有广谱响应)，且存在体积大、质量重、结构复杂、响应时间长、寿命短等缺点。
技术实现思路
本技术的目的在于制备出结构简单、成本低、能耗小、灵敏度高、选择性好的小型氢气传感器。本热电薄膜氢气传感器基于氢气的氧化放热反应和热电材料的Seebeck效应制作而成。热电材料是一种能将热能和电能静态转换的功能材料，目前主要运用于温差发电和热电制冷，但由于其能量转换率较低，至今仍未得到大规模的运用。在此，我们设计了一种新结构的氢气传感器，包括两个核心部分高Seebeck系数热电薄膜和高反应活性的催化剂，从而扩展了热电材料的应用范围，弥补了现有氢气传感器的不足，显示出极好的效果。本技术的构思是在基体材料上制备热电薄膜，然后在热电薄膜一端涂覆氢敏催化剂层，在催化剂的作用下，氢与氧发生反应放出大量的热，其反应遵循如下方程2H2(g)+O2(g)＝2H2O(l)+569.6KJ/mol。该热量使热电薄膜一端迅速受热，瞬间形成温差后产生电压信号。氢气浓度越高，氢氧反应越剧烈，放出的热量就越多，两端温差就越大，输出的电压信号越高。在制备上，通过改变在具有极高比表面积载体上的催化剂负载量，获得能在相同氢气浓度条件下产生最高温差的催化剂层。借助射频磁控溅射法获得室温下热电性能最佳的P型Bi0.5Sb1.5Te3半导体薄膜，并在薄膜的一端将两者以黏附方式结合。通过银浆粘合银导线引出电压信号，即可形成热电薄膜氢气传感器的检测核心。本技术是通过如下技术方案实现的一种热电薄膜氢气传感器，其特征在于，所述的传感器具有传感检测部分和信号处理与输出部分，传感检测部分包括催化剂层1通过导热胶粘合在热电薄膜层2上，热电薄膜层2通过真空磁控溅射在玻璃或石英基片3上；信号处理部分包括一个乘法电路模块6并经过一个报警器8与数值显示板7相连；乘法电路模块6的信号引入负极部分通过导线5与催化剂层1上的阴极4a相连，乘法电路模块6的信号引入正极部分通过导线5与热电薄膜层2上的阳极4b相连。有益效果本热电薄膜氢气传感器具有结构简单、成本低、质量轻、能耗小、灵敏度高、选择性好、响应快等优点，且具有氢气浓度数值显示和危险报警功能，是一款新型的便携式氢传感器。附图说明图1新型热电薄膜氢气传感器的结构示意图其中1-催化剂层，2-热电薄膜层，3-基片，4a-阴极，4b-阳极，5-导线，6-乘法电路模块，7-数值显示板，8-报警器。图2热电薄膜传感器的室温(20-30℃)氢敏特性(3％氢气浓度)具体实施方式以下结合附图详细和具体实施方式对本技术作进一步阐述实施例 (1)制备催化剂层以活性碳纤维布为载体，选择氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)为前躯体，采用等体积浸渍法制备催化剂层。首先将活性碳纤维布先在10％的HNO3预处理150分钟，以增加其表面的氧官能团，从而进一步提高活性碳纤维布的吸附性。然后在室温下将一定浓度的氯铂酸溶液与活性碳纤维布等体积浸渍，通过控制氯铂酸溶液浓度、浸渍时间和浸渍次数来确定负载量。浸渍完毕后在100℃下干燥120分钟。以纯氢还原催化剂，用程序升温装置精确控制还原温度。该催化剂层在室温下对氢气的传感检测效果最佳，在氢气浓度为3％的相同测试气体下，30℃时产生的温差可达50℃左右，并随着操作温度上升而温差下降。(2)制备热电薄膜层按一定比例将纯度为99.9％的Bi、Sb和Te粉混合得到粉末靶材，用射频磁控溅射设备制取P型热电薄膜。选择具有高电绝缘、低热传导性能的石英为基片，溅射前先将基片依次在丙酮、去离子水、无水酒精中用超声波清洗仪震荡洗涤10分钟后在100℃烘干。通过对溅射功率、溅射时间、基片温度、基—靶距等参数考察的准确把握，制备得到高性能的组分为Bi0.5sb1.5Te3的P型薄膜。(3)传感器集成将催化剂层和热电薄膜通过导热胶粘合起来，形成热电薄膜传感检测核心。用银浆连接导线将电压信号导出通入到具有信号放大功能的乘法电路模块，驱动数值显示板显示当前被测气体中的氢浓度值，并在氢气浓度达到警戒值3％时通过报警器发出声音警告。该热电薄膜氢气传感器的结构如图1所示。对其性能进行测试，得到结果如图2所示。在室温下(20-30℃)3％的氢气中可产生26.6mv的输出电压，响应时间接近50s。由于该系统在室温就可启动，无需外界电源加热，具有能耗低的优点。另外，被检测气体在催化剂表面产生的热量和输出电压都与氢气浓度有着极好的对应关系，通过测量电压信号即可推测对被测气体中的氢气浓度，从而实现对氢气泄露的实时监测和在接近爆炸极限时报警。权利要求1.一种热电薄膜氢气传感器，其特征在于，所述的传感器具有传感检测部分和信号处理与输出部分，传感检测部分包括催化剂层(1)通过导热胶粘合在热电薄膜层(2)上，热电薄膜层(2)通过真空磁控溅射在玻璃或石英基片(3)上；信号处理部分包括一个乘法电路模块(6)并经过一个报警器(8)与数值显示板(7)相连；乘法电路模块(6)的信号引入负极部分通过导线(5)与催化剂层(1)上的阴极(4a)相连，乘法电路模块(6)的信号引入正极部分通过导线(5)与热电薄膜层(2)上的阳极(4b)相连.。专利摘要本技术涉及一款热电薄膜氢气传感器。本技术借助射频磁控溅射技术制备出室温下具有较高Seebeck系数的Bi文档编号G01N27/14GK2901304SQ20062004207公开日2007年5月16日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日专利技术者栾伟玲, 黄琥, 张建松, 涂善东 申请人:华东理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电薄膜氢气传感器，其特征在于，所述的传感器具有传感检测部分和信号处理与输出部分，传感检测部分包括：催化剂层（１）通过导热胶粘合在热电薄膜层（２）上，热电薄膜层（２）通过真空磁控溅射在玻璃或石英基片（３）上；信号处理部分包括一个乘法电路模块（６）并经过一个报警器（８）与数值显示板（７）相连；乘法电路模块（６）的信号引入负极部分通过导线（５）与催化剂层（１）上的阴极（４ａ）相连，乘法电路模块（６）的信号引入正极部分通过导线（５）与热电薄膜层（２）上的阳极（４ｂ）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：栾伟玲，黄琥，张建松，涂善东，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]