用于测量pH值的传感器制造技术

本发明专利技术涉及用于测量pH值的传感器。一种测量pH值的传感器包括：传感器元件，具有用来与测量液体接触的表面；至少一个辐射源，被配置成发出到达传感器元件的电磁透射辐射，其中，至少一部分透射辐射通过在表面的区域中的反射和/或散射被转换成测量辐射；至少一个辐射接收器，被配置成接收测量辐射并将其转换成电信号；以及测量电路，被连接到辐射接收器，电路被配置成根据辐射接收器的信号确定表示测量液体的pH值的测量值，其中，至少一部分透射辐射的波长适合在传感器元件的用来与测量液体接触的表面的至少表面区域或近表面区域中产生电荷载流子，以便在用来与测量液体接触的表面处发生光电化学反应并形成氢。面处发生光电化学反应并形成氢。面处发生光电化学反应并形成氢。

【技术实现步骤摘要】
用于测量pH值的传感器


[0001]本专利技术涉及一种用于测量测量液体的pH值的传感器。

技术介绍

[0002]测量液体的pH值的测量在实验室、环境分析和过程测量技术中发挥重要作用。最主要的是，pH测量使用具有pH敏感测量半电池和电位稳定参比半电池的电位传感器。具有由pH选择性玻璃制成的膜的玻璃电极适合作为pH敏感测量半电池。虽然这种电位pH传感器提供非常准确的测量结果，但它们相对容易出现故障，并且需要大量维护。具有传统玻璃电极的电位传感器的典型故障包括玻璃膜的机械损坏或化学老化。
[0003]作为机械上更稳定、在原理上维护更少的pH传感器，pH ISFET传感器或具有pH敏感搪瓷电极的电位传感器也被用作测量半电池，特别是在过程行业中。然而，在ISFET传感器中使用的半导体芯片在高温下，尤其是在高pH值下，并不连续稳定。虽然搪瓷电极机械鲁棒，但是传统搪瓷电极比具有玻璃电极的传统pH传感器的测量准确性低。因而，目前可用的搪瓷或ISFET传感器不如具有pH玻璃电极的pH传感器普遍适用。
[0004]所有这些电化学传感器还需要参比电极。作为参比电极，通常使用银/氯化银电极。这些电极通常具有壳体，在壳体中包含具有高氯化物浓度的参比电解质和接触参比电解质的参比元件。参比元件通常由具有氯化银涂层的银线形成。在传感器的测量操作期间，参比电解质经由被布置在壳体壁中的过渡件(例如，隔膜)与测量液体电解接触。经由过渡件，不期望的电极毒物可能渗透到参比电极中，和/或氯化物可能从参比电解质以不期望的高程度逃逸到测量液体中，这会导致参比电位的漂移。过渡件本身容易出现故障，例如，过渡件可能在操作期间被堵塞，这也会导致测量结果的损坏。
[0005]在许多领域，这些传感器仍然可以通过执行定期维护和/或校准以便消除可能出现的任何故障和/或补偿与老化相关的传感器漂移，在相对较长的时间段内使用。然而，这种定期维护和/或校准会导致人工费用和其它成本。
[0006]因此，长期以来一直在努力提供基于光学测量原理而不是电化学测量原理的pH传感器。通常，光学传感器对故障的敏感性较低，因而可以在较长时间内免维护运行。
[0007]迄今为止，已知的主要光学传感器基于所谓的发光猝灭(例如，荧光猝灭)来执行对分析物浓度的测量。这种传感器通常包括具有指示剂染料的测量元件，例如，膜，指示剂染料的分子被固定在膜中。选择指示剂染料以使其可以被激发以发出发光辐射，其中，指示剂染料的发光通过与分析物的相互作用而熄灭——在pH测量的情况下，例如，与水合氢离子相互作用。因而，发光辐射的强度、衰减时间或相移是分析物浓度的量度。
[0008]先前已知的光学离子和pH传感器的缺点在于它们的响应时间慢，仅有限地适用于高温下使用，传感器信号的温度和/或离子强度依赖性无法被补偿或难以补偿，传感器膜中所含指示剂染料的浸出/漂白引起的系统传感器漂移，以及指示剂分子的频繁复杂合成。因此，先前系统没有达到与长期免维护运行时间相关的期望。

技术实现思路

[0009]因此，本专利技术的目的在于指定一种改进的传感器，以基于光学测量原理来测量测量液体的pH值。特别地，该传感器要避免现有技术中已知的基于发光猝灭原理的已知光学pH传感器的上述缺点。
[0010]该目的通过根据本专利技术的用于pH测量的传感器及其有利实施例实现
[0011]根据本专利技术的用于测量测量液体的pH值的传感器包括：
[0012]传感器元件，传感器元件具有用来与测量液体接触的表面；
[0013]至少一个辐射源，至少一个辐射源被配置成发出到达传感器元件的电磁透射辐射，其中，至少一部分透射辐射通过在表面区域中的反射和/或散射被转换成测量辐射；
[0014]至少一个辐射接收器，至少一个辐射接收器被配置成接收测量辐射并将其转换成电信号；以及
[0015]测量电路，测量电路连接到辐射接收器，该电路被配置成根据辐射接收器的信号确定表示测量液体的pH值的测量值，
[0016]其中，至少一部分透射辐射的波长适合在传感器元件的用来与测量液体接触的表面的至少表面区域或近表面区域中产生电荷载流子，以便在用来与测量液体接触的表面处发生光电化学反应并形成氢。
[0017]在有利实施例中，传感器元件可以是可更换的。例如，传感器元件可以被设计成可更换帽盖形式，可更换帽盖可以可拆卸地重新紧固到传感器的探头壳体上。
[0018]通过在传感器元件的表面区域或近表面区域产生电荷载流子，光电化学过程中存在的氢氧根离子可以在与测量液体的界面处被氧化，或者氧鎓离子(也称为水合氢离子)或被吸附在表面上的质子可以被还原以产生元素氢和/或分子氢。取决于传感器元件表面的性质，所产生的氢可以可逆地积聚或耗尽在表面上或靠近表面的区域中——例如，通过吸附、化学键合或溶解在靠近表面的区域中。所产生的氢的量取决于测量液体中存在的pH值；因而，在传感器元件的表面或近表面区域中氢的积聚或耗尽是测量液体中pH值变化的量度。
[0019]表面上或靠近表面的区域中存在的原子或分子氢可以通过反射和/或散射光测量来检测——例如，拉曼光谱。因此，在表面上或靠近表面的区域中散射或反射的测量辐射的强度是形成的原子或分子氢的定量量度，因而也是测量液体中占主导地位的pH值的定量量度。因而，辐射接收器产生的电信号代表测量液体的当前pH测量值。
[0020]表面区域可以包括结合原子氢和/或分子氢的金属或金属合金，特别是用来形成金属氢化物。例如，金属或金属合金可以包括铂金属。金属加氢催化剂或金属储氢器是合适的金属或合适的金属合金(例如，Pt、Pd)的选项。
[0021]例如，金属或金属合金可以包括元素周期表的第8
‑
10族(VIIIB)或族11(IB)中的至少一种元素。
[0022]传感器元件可以具有由金属或金属合金制成的第一顶层和特别是直接设置在第一层下方的第二层，其中，第一层形成用来与测量液体接触的表面，并且其中，第二层由半导体材料形成。第二层可以导电地连接到地，并且在一些情况下，经由被布置在第二层下方的进一步导电层连接到地。
[0023]半导体材料可以具有掺杂。例如，掺杂可以选自金属氧化物，特别是d0‑
或d
10
‑
金属
氧化物、复合金属氧化物、钙钛矿、Si、Ge、III/IV或II/VI半导体，本征或掺杂的，例如，n
‑
TiO2、n
‑
ZnO、n
‑
SrTiO3、n
‑
WO3、n
‑
CdS、n
‑
BiVO4、n
‑
Fe2O3、n
‑
Ta3N4、n
‑
CdSe、p
‑
GaP、p
‑
CuO2、p
‑
GaAs、p
‑
InP和p
‑
Si。
[0024]在第一层与第二层之间，即，在由金属或金属合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测量测量液体的pH值的传感器，包括：传感器元件，所述传感器元件具有用来与所述测量液体接触的表面；至少一个辐射源，所述辐射源被配置成发出到达所述传感器元件的电磁透射辐射，其中，透射辐射的至少一部分通过在所述表面的区域中的反射和/或散射被转换成测量辐射；至少一个辐射接收器，所述辐射接收器被配置成接收所述测量辐射并将其转换成电信号；以及测量电路，所述测量电路连接到所述辐射接收器，所述电路被配置成根据所述辐射接收器的信号确定表示所述测量液体的pH值的测量值，其特征在于，所述透射辐射的至少一部分的波长适合在所述传感器元件的用来与所述测量液体接触的所述表面的至少表面区域或近表面区域中产生电荷载流子，以便在用来与所述测量液体接触的所述表面处发生形成氢的光电化学反应。2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述表面区域包括结合原子氢和/或分子氢的金属或金属合金，特别是用来形成金属氢化物。3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述金属或金属合金包括元素周期表的第8
‑
10族(VIIIB)或族11(IB)中的至少一种元素。4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中，所述传感器元件具有由金属或金属合金制成的第一层——特别是顶层——和特别是直接设置在所述第一层下方的第二层，其中，所述第一层形成用来与所述测量液体接触的所述表面，并且其中，所述第二层由半导体材料形成。5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述半导体材料选自金属氧化物，特别是d0‑
或d
10
‑
金属氧化物、复合金属氧化物、钙钛矿、Si、Ge、III/IV或II/VI半导体，本征或掺杂的，例如，n
‑
TiO2、n
‑
ZnO、n
‑
SrTiO3、n
‑
WO3、n
‑
CdS、n
‑
BiVO4、n
‑
Fe2O3、n
‑
Ta3N4、n
‑
CdSe、p
‑
GaP、p
‑
CuO2、p
‑
GaAs、p
‑
InP和p
‑
Si。6.根据权利要求4或5所述的传感器，其中，所述半导体材料具有掺杂，并且其中，由掺杂的半导体材料形成的第三层被布置在所述第一层与所述第二层之间，以便在所述第二层与所述第三层之间形成p
‑
n结。7.根据权利要求4或5所述的传感器，其中，所述半导体材料具有掺杂，并且由掺杂的半导体材料形成的第三层被布置在所述第二层的背向所述第一层的一侧上，以便在所述第二层与所述第三层之间形成p
‑
n结。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的传感器，其中，所述传感器元件包括多个，特别是掺杂的半导体纳米颗粒，特别是量子点，并且其中，所述半导体纳米颗粒至少部分地被所述金属或所述金属合金包围。9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述半导体纳米颗粒各自形成核
‑
壳结构的核，其中，所述壳由所述金属或所述金属合金形成。10.根据权利要求9所述的传感器，
其中，所述半导体纳米颗粒被设计成具有第一端和与所述第一端相对的第二端的纳米棒，其中，包括所述第一端的所述纳米棒的一部分被由所...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔分析仪表两合公司，
类型：发明
国别省市：