一种基于钯或钯合金纳米微粒检测氢的装置，其中将纳米微粒沉积在电阻性衬底上，以容许检测少于１％的氢；其中纳米微粒呈岛状地沉积在连续的电阻层上。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种纳米微粒合金氢传感器。 背景信息钯是一种金属，带有很容易将氢吸附到其晶格中而通常导致晶格大小膨胀 的性质。上述膨胀最大可达百分之几。已经有各种方法试图利用该事实检测氢。钯的晶格不会仅仅因为暴露在氢中而在长度上增加5%。相反，膨胀只在 扩散入钯的氢量达到一定的程度时发生。因为氢扩散到表面以下较深的地方， 所以使用材料的厚度相当于表面穿透深度。已经设计出两种物质装置以利用钯的"晶格膨胀"。第一种装置是钯的薄 型导电膜，其电阻随着氢剂量增加而增大。第二种装置是"纳米导线 (nano-wire)，，技术。薄膜传感器由该技术制成的传感器将钯薄膜放在两个电触点之间。在暴露于氢时，触 点之间的电阻增加。该技术被认为是不稳定的并且很难商用(用于检测氢<5000 ppm)。其特性主要由随后示出的图5确定。可用信号变化很小。纳米导线氢检测器微型导线由松散连接的钯纳米微粒构成并且设置在位于绝缘衬底上的两 个电触点之间。当电接点由于氢存在而膨胀时，两个电触点间产生短路，从而 有效闭合两电触点间的开关。这不是传感器，而是氢"检测器"。换句话说， 它无法测量氢的量，而仅能测量其存在。附图简述为了更完整地理解本专利技术及其优点，现结合附图在随后做出描述，附图中附图说明图1示出在空气和油中老化的图2示出一个示例性的二维校准图3示出金属对氢的渗透率的图4示出在油中氢中合金成分的影响的图5示出不同成分的Pd-Ag (钯-银)合金的相变曲线；图6示出氢在金属中的溶解度；图7示出在不同温度下的Pd-Ag合金的相变曲线；图8示出纯钯在不同温度的相变曲线；图9示出依赖于操作温度的响应时间；图IOA示出一传感器元件；图IOB示出具有钛参考元件的传感器对；图IOC示出引线接合到载体PC (印刷电路)板的传感器对；图IOD示出了固态图案(solid-pattern)有效元件；图IOE示出条带图案(striped-pattern)有效元件；图11示出小型尺寸低密度百分之百PdH2传感器的响应图12示出小型尺寸正常密度100y。PdH2传感器的校正曲线。图13示出小型尺寸高密度100n/。PdH2传感器的响应； 图14示出正常尺寸正常密度100。/。PdH2传感器的响应； 图15示出显示有微粒大小和密度变化的SEM (扫描电镜)显微图； 图16示出显示有传感器元件尺寸变化的SEM显微图； 图17示出油中具有70-100纳米微粒尺寸的典型传感器在油中对氢浓度和 温度变化的响应；图18示出空气中具有70-100纳米微粒尺寸的典型传感器对氢浓度变化的响应；图19示出两步电镀工艺以及传导率的变化； 图20示出安全操作面积曲线；以及图21示出典型的校准测量周期。4详细说明在以下描述中将陈述例如特定词语或字节长度等的诸多许多细节以提供 对本专利技术的透彻理解。然而，本领域中的技术人员显而易见的是可以实施本发 明而无须这些细节。在其它实例中，公知的电路以框图形式示出以免用不必要 的细节混淆本专利技术。对于大部分内容而言，已忽略对涉及同步等细节的考虑， 因为这些细节对完全理解本专利技术而言是不必要的并且这些细节在相关领域中 普通技术人员的技能范围之内。现在参照附图，其中描绘的元件无需按比例示出，并且其中相似或类似的 元素在各视图中由相同的附图标记指定。作为本专利技术的一个实施例，在有电阻性衬底上形成一真实的随机Pd纳米微粒涂层，而非线性的纳米导线方法。当微粒膨胀时，它们使得衬底中微小 (miniscule)电阻短路，而这些微小电阻正好位于两个邻近的纳米微粒之下。 在大规模的统计基础上，基底的端到端(end-to-end)电阻于是与氢数量成比 例下降。该传感器因此可以测量氢的量，而不是仅检测其存在。输出信号相当 大，通常与电阻变化呈2:1或更大。该方法比在先描述的薄膜传感器或纳米导线氢检测器产生更强、更稳定的 信号。纳米导线传感器难以制造，在高温时不起作用，并且"临界点"(trippoint) 难以重复建立。作为对比，本专利技术的传感器，其制造技术在此进行描述，并且 可在商品生产环境中重复。并非使用真空沉积来产生如前述薄膜传感器那样的 连续薄膜，而是通过受控电镀工艺产生钯纳米微粒。这些微粒的密度和大小均 可以控制以实现重复工艺。本系统也可以利用现有制造技术的当前状态而得以 量产，这是纳米导线方法所不具备的。钯膜的电阻直接受图5示出特性的控制。在本专利技术的实施例中，它主要由 下层电阻衬底控制。结果是更好的可预测性和稳定性。在该薄膜传感器中，静 态电阻由高成本膜的均匀性控制。在本专利技术的实施例中，静态电阻则是由周知 的附有低成本Pd纳米颗粒的薄膜控制。与其它电镀和沉积方法相比，本专利技术的实施例使用从所有金属边缘到传感 器的有效电镀区之间20微米的间隙。这具有在电镀期间抑制金属边缘E场影 响、从而产生大量微粒尺寸、密度更均匀分布且可重复的传感器的效果。5在传感器制造中表面均匀性和清洁度是非常重要的。应用可洗涤的有机外 涂层(X-膜)保护传感器极大地改善了制造产率。如后面指出的，钯纳米微粒传感器的长期稳定性可以通过钯-银(Pd:Ag) 合金比率改变。依据图5，合金的使用是所得传感器在H2浓度的整个范围内的线性通常要考虑的问题。在本专利技术的实施例中，它用于控制传感器在应力环境 中的稳定性。对于可以接收较慢响应时间的应用而言(例如，在变压器冷却油中测量 氢)，其应用是有益的。例如，银含量不高的传感器在暴露于大幅温降且氢存 在的情况下，会经历氢的永久性捕获(钯氢化)。具有这样的合金对于这种捕 获时更为有力。进一步，同时暴露于高温和高浓度氢(例如，2%及以上)会由于"挤压" 应力而使得邻近纳米微粒变形。在这样暴露之后，这些纳米颗粒不会返回到它 们最初的形态，或只能很慢地恢复。高合金的使用使得该传感器在这些条件下 更加强有力，从而防止它们特性的改变。尽管钯的许多物理参数(例如图3和 图5中示出的)是公知的，然而应用这些参数产生具有能在浓度水平小于5000 ppm的空气和油中灵敏的双用途的商业氢传感器对于本领域技术人员来说并 非显而易见的。本公开表明一个快的、但动态范围有限的或者一个慢的、动态范围较宽的 传感器如何产生。这样的改变可以通过改变Pd:Ag合金比率以及钯的内部微粒 间距进行选择。对于本领域技术人员来说，设计对传感器作为基于空气或基于油的传感器 的应用的影响并非显而易见。温度改变速率以及它们或正或负对于油中传感器 结果良好特性的影响也不是显而易见的。本专利技术泰明了这些差别，同时表明了 例如在表征工艺期间，在传感器充入氢的同时其温度的快速下降为什么会破坏 传感器。本专利技术传感器一个实施例的响应是对数的，因此能对下降至百万分之几 (ppm)的氢保持灵敏。由于它对温度变化也是敏感的，在此做出并描述的特 征和运行时间校正系统称为2D校正。本系统使用一组曲线内插，从而以ppm 精确(在量程20%以内或更多)计算所含氢的实际浓度。6相比于通过步进温度然后使浓度循环，通过步进浓度然后使温度循环，更 有利于系统表征该传感器，则这对于本领域技术人员而言并非显而易见。这带 来了双重改进，因为能在试验室简化中获得特定增益，从而使其得到自动(PID)控制。有许多因素影响所公开氢传感器的产率。因素l本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于钯或钯合金纳米微粒检测氢的装置，其中将所述纳米微粒沉积在电阻性衬底上，以容许检测少于１％的氢气；其中纳米微粒呈岛状地沉积在连续的电阻层上。
【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：T维瑟尔，P桑德拉佳，I帕维洛斯基，M杨，
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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