專(zhuān)利名稱(chēng)：：用作傳感器校準(zhǔn)和自檢用氫源的納米晶態(tài)和/或亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：實(shí)施方案一般涉及傳感器方法和系統(tǒng)。實(shí)施方案也涉及用于校準(zhǔn)傳感器的方法和系統(tǒng)。另外，實(shí)施方案還涉及適用于傳感器器件及其系統(tǒng)的納米晶態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料。
背景技術(shù)：
：氣體傳感器，例如氫氣傳感器，在商業(yè)、消費(fèi)業(yè)和工業(yè)中得到大量應(yīng)用。氫氣例如是一種有著廣泛工業(yè)和科學(xué)用途的可燃性和爆炸性氣體。氫氣的已為人們熟知的工業(yè)用途包括化學(xué)工業(yè)中基本主要產(chǎn)品的生產(chǎn)，例如由此衍生出的氨和肥料、簡(jiǎn)單醇、氯化氫，還原礦石以生產(chǎn)金屬，精煉原油以生產(chǎn)石油，將植物油氫化制造人造黃油及相關(guān)工業(yè)和其他許多應(yīng)用。氫氣也在太空飛行中得到了廣泛應(yīng)用，例如氫氣可作為用于飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的氫-氧混合物的成分之一。氫氣還被廣泛用于金屬成形和微電子處理步驟中，這些步驟在多水平器件的器件制造和金屬互連處理中通常是極為重要的。燃料電池的使用也越來(lái)越受到重視，這就要求氫在各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)用中作為燃料，例如在汽車(chē)的燃料電池中。處理氫氣需要采用安全性牢靠的器件已得到公認(rèn)，這是因?yàn)闅錃庠诳諝庵械臐舛鹊椭?%體積時(shí)仍是高可燃性的氣體。因此，檢測(cè)氫氣錯(cuò)誤排放的能力是強(qiáng)制性的，也是使用氫氣的任何方法或者器件的重要特征。在這些和其他應(yīng)用中，氫氣傳感器用于監(jiān)測(cè)氫氣使用點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境，以確保系統(tǒng)的高效、安全和運(yùn)行完整性。因此，許多氫氣傳感器和復(fù)雜的檢測(cè)方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到廣泛應(yīng)用。傳感器，例如氫氣傳感器件，的校正和自檢是實(shí)現(xiàn)安全和高效目的的重要特征。傳統(tǒng)的傳感器校準(zhǔn)和/或自檢方法和系統(tǒng)的問(wèn)題之一是，為了成功地操作這些器件，必須快速、高效和安全地加熱各種化合物。
發(fā)明內(nèi)容下述內(nèi)容是為了便于理解本文公開(kāi)的實(shí)施方案所獨(dú)有的一些創(chuàng)新性特征，但并旨在進(jìn)行完整描述。對(duì)所述實(shí)施方案各方面的全面理解可通過(guò)將全部說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求、圖和摘要作為一個(gè)整體獲得。因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供改進(jìn)的傳感器器件、方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供改進(jìn)的校準(zhǔn)和自檢方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的再一個(gè)方面是提供介穩(wěn)金屬氫化物作為氫源用于氣體(例如氬氣)傳感器校準(zhǔn)和自檢的用途。本發(fā)明的一個(gè)附加方面是提供納米晶態(tài)金屬氫化物作為氫源用于氣體(例如氫氣)傳感器校準(zhǔn)和自檢的用途。如本文所描述的，前面提到的方面、其他目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)。傳感器系統(tǒng)和方法在本文公開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，傳感器可用于探測(cè)鄰近傳感器部件的區(qū)域中氣體(例如氫氣)的存在。復(fù)合材料一般是與傳感器連接的，其中所述復(fù)合材料包括用于存儲(chǔ)氣體(例如氫氣)的金屬氬化物材料?？梢蕴峁┘訜崞鱽?lái)將金屬氫化物材料加熱到特定的溫度，在該溫度下氣體從金屬氫化物材料中釋放出來(lái)，從而對(duì)傳感器就檢測(cè)氣體(例如，氬氣)存在與否進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。由于氣體傳感器之間的交叉敏感性，對(duì)某些目標(biāo)氣體來(lái)說(shuō)，可以使用另一種氣體(叫做參考?xì)怏w)進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)，其中對(duì)所述參考?xì)怏w來(lái)說(shuō)，氣體傳感器是交叉敏感的。下表1示出了以一些氣體傳感器為例的交叉敏感性。其他傳感器可以顯示出不同的交叉?zhèn)鞲行?。但是，?duì)每個(gè)氣體傳感器來(lái)說(shuō)，已知的交叉敏感性使得可以使用參考?xì)怏w來(lái)校準(zhǔn)傳感器。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>金屬氫化物材料可以構(gòu)建為亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料形式，其可以以粉末形式使用。亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料分散在聚合材料，例如聚乙烯，的整個(gè)多孔介質(zhì)中。金屬氫化物材料也可以以包括納米晶態(tài)材料的不定形結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)。納米晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是許多超細(xì)晶粒被其大量的晶界分隔開(kāi)。金屬氫化物材料被加熱到笫一溫度并維持第一時(shí)段以達(dá)到其平衡，從而釋放出第一已知量的氫氣，使傳感器對(duì)氬氣做出反應(yīng)，之后將傳感器的響應(yīng)與存儲(chǔ)的數(shù)進(jìn)行比較以確定是否需要針對(duì)其校準(zhǔn)修正傳感器。然后金屬氫化物材料可被加熱到第二溫度并維持第二時(shí)段以釋放出第二已知量的氫氣，使傳感器對(duì)氬氣做出反應(yīng)，之后將傳感器的響應(yīng)與該存儲(chǔ)的數(shù)進(jìn)行比較以確定是否需要針對(duì)其校準(zhǔn)修正傳感器。金屬氫化物材料也可被加熱到笫三溫度并維持第三時(shí)段以釋放出第三已知量的氫氣，使傳感器對(duì)氫氣做出反應(yīng)，之后將傳感器響應(yīng)與該存儲(chǔ)的數(shù)進(jìn)行比較以確定是否需要修正傳感器。附圖簡(jiǎn)述在附圖的各個(gè)視圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同的或者功能類(lèi)似的要素，這些附圖被接合進(jìn)來(lái)并形成說(shuō)明書(shū)的一部分，進(jìn)一步闡明了本發(fā)明，并同本發(fā)明的具體描述一起解釋本發(fā)明的原理。圖1圖示了系統(tǒng)的高水平方塊圖，其可以根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)；圖2圖示了系統(tǒng)的高水平方塊圖，其可以根據(jù)替換性實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)；圖3示出了系統(tǒng)的高水平方塊圖，其可以根據(jù)替換性實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)；圖4示出了說(shuō)明邏輯操作步驟的高水平操作流程圖，可以根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)；圖5示出了氫氣含量對(duì)解吸時(shí)間的數(shù)據(jù)圖，可以根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案得到；和圖6示出了氫氣含量對(duì)解吸時(shí)間的數(shù)據(jù)圖，該圖可以根據(jù)另一實(shí)施方案得到。詳細(xì)描述在這些非限制性實(shí)施例中討論的特殊值和構(gòu)造可以變化，此處僅引用它們來(lái)說(shuō)明至少一個(gè)實(shí)施方案，并非意味著限制本文公開(kāi)的權(quán)利要求的范圍。圖1示出了系統(tǒng)100的高水平方塊圖，其可以根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)100—般包括傳感器102，用于探測(cè)靠近所述傳感器部件的區(qū)域中氣體的存在。復(fù)合材料104—般連接到和/或接合到傳感器102。在系統(tǒng)100的構(gòu)造中，復(fù)合材料104包括用于存儲(chǔ)氫氣的金屬氫化物材料。系統(tǒng)100也包括用于加熱所述金屬氫化物材料到特定溫度的加熱器106，在該溫度下，氫氣從所述金屬氫化物材料中釋放出來(lái)，以便對(duì)所述傳感器102針對(duì)探測(cè)氣體的存在性進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。加熱器106可以以許多加熱器件中的任何一個(gè)的形式被實(shí)現(xiàn)。例如，加熱器106可以構(gòu)造成由復(fù)合材料構(gòu)成的柔性加熱器材料加熱墊。所述加熱器的實(shí)例已公開(kāi)在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)No4522190，"FlexibleElectromechanicalHeater"中，該專(zhuān)利在1983年11月3曰授權(quán)給Kuhn等，通過(guò)參考將其并入本文中。注意Kulm等公開(kāi)的柔性加熱器僅用于一般的解釋和說(shuō)明目的，不能認(rèn)為是本文公開(kāi)的實(shí)施方案的限制特征。已經(jīng)知道，其他類(lèi)型的加熱器可用于實(shí)現(xiàn)加熱器106。圖2示出了系統(tǒng)200的高水平方塊圖，其可以根據(jù)替換性實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)。注意圖1-3中，相同的或者類(lèi)似的部件一般用相同的附圖標(biāo)記表示。因此，系統(tǒng)200—般包括傳感器102，用于探測(cè)靠近所述傳感器部件的區(qū)域中氣體(例如氫氣)的存在。復(fù)合材料202—般連接到和/或接合到傳感器102。在系統(tǒng)200的構(gòu)造中，復(fù)合材料104包括用于存儲(chǔ)氫氣的亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料。系統(tǒng)200也包括用于將所述金屬氫化物材料加熱到特定溫度的加熱器106，在該溫度下氫氣從所述金屬氫化物材料中釋放出來(lái)以便對(duì)所述傳感器102針對(duì)檢測(cè)氣體(例如氫氣)的存在性進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。圖3示出了系統(tǒng)300的高水平方塊圖，其可以根據(jù)替換性實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)300—般包括傳感器102，用于探測(cè)靠近所述傳感器部件的區(qū)域中氣體(例如氫氣)的存在。復(fù)合材料104—般連接到和/或接合到傳感器102。在系統(tǒng)300的構(gòu)造中，復(fù)合材料302包括用于存儲(chǔ)氫氣的納米晶態(tài)金屬氫化物材料。系統(tǒng)300也包括用于將所述金屬氫化物材料加熱到特定溫度的加熱器106，在該溫度下氫氣從所述金屬氫化物材料中釋放出來(lái)以便對(duì)所述傳感器102針對(duì)檢測(cè)氣體(例如氫氣)的存在性進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。復(fù)合材料302的納米晶態(tài)金屬氫化物材料可以構(gòu)造成無(wú)定形結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)是在研磨/磨后獲得的。與該材料302有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步詳細(xì)示于本文的圖5-6中。機(jī)械合金化可用于制造納米晶態(tài)材料。機(jī)械研磨也可用于制造該納米晶態(tài)材料。圖4示出了可以根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的邏輯操作步驟的高水平操作流程圖400。如上所述，金屬氫化物材料可用于存儲(chǔ)氫氣(H2)。因此，如方塊402所示，流程可被啟動(dòng)。接著，如方塊404所示，傳感器可以經(jīng)形成以包括或者連接到分散于聚合材料，例如聚乙烯，的全部多孔基質(zhì)中的金屬氫化物粉末。如其后的方塊406所示，可利用加熱器，例如圖1-3中的加熱器106，將金屬氫化物(即亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物和/或納米晶態(tài)金屬氫化物)加熱到溫度T1并維持時(shí)間tl(亦即達(dá)到平衡)。如隨后的方塊408所示，已知量的H2隨后可被釋放，傳感器(一個(gè)或多個(gè))(例如圖l-3中的傳感器102)可以對(duì)H2做出反應(yīng)。之后，如方塊410所示，將該響應(yīng)與存儲(chǔ)的數(shù)或值進(jìn)行比較以確定為了校準(zhǔn)例如圖1-3中描述的系統(tǒng)100-300，是否需要另外的改變。然后，如方塊412所描述的，金屬氬化物可以被加熱至溫度T2并維持時(shí)間t2(亦即達(dá)到平衡)，并可以釋放第二已知量的H2以便傳感器(一個(gè)或多個(gè))對(duì)H2做出響應(yīng)，如隨后的方塊414所示。之后，如方塊416所描述的，將該響應(yīng)與該存儲(chǔ)的數(shù)或值進(jìn)行比較以確定為了校準(zhǔn)傳感器，是否需要改變。接著，傳感器或者系統(tǒng)IOO、200或300可利用前述的2點(diǎn)評(píng)價(jià)來(lái)擬合曲線，并將其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以備他用。如隨后的方塊420所示，可以進(jìn)行測(cè)試以確定是否需要另外的校準(zhǔn)。如果需要，則進(jìn)行方塊422、424和426中所述的操作。如果不需要，流程結(jié)束，如方塊428所述。注意在某些實(shí)施方案中，自檢可通過(guò)較少的加熱時(shí)間完成而無(wú)需達(dá)到平衡。例如可能需要5秒鐘的加熱時(shí)間，且產(chǎn)生的氫氣量可以變化。在某些實(shí)施方案中，可每周進(jìn)行自檢，而每年進(jìn)行兩次自校準(zhǔn)。圖5示出了氬氣含量對(duì)解吸時(shí)間的數(shù)據(jù)圖表500，該圖可根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案生成。圖6示出了氬氣含量對(duì)解吸時(shí)間的數(shù)據(jù)圖表600，該圖可根據(jù)另一實(shí)施方案生成。如上所述，納米晶態(tài)金屬氫化物材料(例如圖3中的復(fù)合材料302)或者其無(wú)定形結(jié)構(gòu)可通過(guò)磨和/或研磨獲得。吸收和解吸的激活和動(dòng)力學(xué)主要在低溫金屬氫化物系統(tǒng)中得到提升。存儲(chǔ)能力損失不是自檢自校準(zhǔn)傳感器器件，例如圖3中的系統(tǒng)300，所關(guān)心的。但解吸時(shí)間的顯著降低，如圖5中圖表500的數(shù)據(jù)所描述的，對(duì)自檢和/或自校準(zhǔn)傳感器系統(tǒng)，例如圖3的系統(tǒng)300，是很大的優(yōu)勢(shì)。納米晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)特征是超細(xì)晶粒(例如小于100nm)被很多晶界分隔開(kāi)。納米晶態(tài)氫化物的性質(zhì)通常和其具有大晶粒的對(duì)應(yīng)物顯著不同。因此研磨后的粉末不需要或者只需非常溫和的激活就可吸收或解吸氫氣。吸著動(dòng)力學(xué)通常也好得多。隨著晶粒大小的逐漸減小，晶界與晶體相的比值增加。雖然本文公開(kāi)的實(shí)施方案已經(jīng)討論了氫氣傳感器的應(yīng)用，但這些實(shí)施方案可用于檢測(cè)其他類(lèi)型的氣體，例如本文表1中所列出的那些氣體，注意到這點(diǎn)是很重要的。因此，本文討論的實(shí)施方案不僅可用于校準(zhǔn)氫氣傳感器，也可用于校準(zhǔn)任何數(shù)目的各種類(lèi)型的氣體傳感器。提出的描述并不意味著其是詳盡的或者限制本發(fā)明的范圍。根據(jù)上述教導(dǎo)而不脫離如下權(quán)利要求范圍的任何改變和變體都是可以做到的。預(yù)計(jì)本發(fā)明的用途可包括具有不同特點(diǎn)的部件。本發(fā)明的范圍旨在由本文附帶的權(quán)利要求限定，從各方面全面認(rèn)知等價(jià)物。權(quán)利要求1.傳感器系統(tǒng)，包括傳感器，用于探測(cè)靠近所述傳感器部件的區(qū)域中氣體的存在；連接到所述傳感器的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料包括用于存儲(chǔ)氣體的金屬氫化物材料；和加熱器，用于加熱所述金屬氫化物材料到特定溫度，在該溫度下氣體從所述金屬氫化物材料中釋放出來(lái)，以便對(duì)所述傳感器針對(duì)檢測(cè)所述氣體的存在性進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。2.權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述氣體包括氫氣。3.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料包括亞穩(wěn)態(tài)金屬氬化物材料。4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料包括粉末。5.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料分散在聚合材料的整個(gè)多孔基質(zhì)中。6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述聚合材料包括聚乙烯。7.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料被加熱到第一溫度并維持第一時(shí)段以達(dá)到其平衡，從而釋放第一已知量的所述氫氣，使所述傳感器對(duì)所述氫氣做出反應(yīng)并且隨后將其響應(yīng)與存儲(chǔ)的數(shù)比較，以確定是否為了所述傳感器的校準(zhǔn)而需要修正所述傳感器。8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料被加熱到笫二溫度并維持其笫二時(shí)段以釋放第二已知量的所述氫氣，以使所述傳感器對(duì)所述氫氣做出反應(yīng)并隨后將其響應(yīng)與所述存儲(chǔ)的數(shù)比較，以確定是否為了所述傳感器的校準(zhǔn)而需要修正所述傳感器。9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料被加熱到第三溫度并維持其笫三時(shí)段以釋放笫三已知量的所述氫氣，以使所述傳感器對(duì)所述氫氣做出反應(yīng)并隨后將其響應(yīng)與所述存儲(chǔ)的數(shù)比較，以確定是否需要修正所述傳感器。10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述金屬氫化物材料包括無(wú)定形結(jié)構(gòu)。11.權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述金屬氬化物材料包括納米晶態(tài)材料。12.權(quán)利要求ll的系統(tǒng)，其中所述納米晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)特征在于許多超細(xì)晶粒被其大量的晶界分隔開(kāi)。13.傳感器系統(tǒng)，包括傳感器，用于探測(cè)靠近所述傳感器部件區(qū)域中氫氣的存在；與所述傳感器連接的復(fù)合材料，其中所述復(fù)合材料包括用于存儲(chǔ)氫氣的金屬氫化物材料，其中所述金屬氫化物材料包括納米晶態(tài)材料；和用于將所述金屬氳化物材料加熱到特定溫度的加熱器，在該溫度下，氫氣從所述金屬氫化物材料中釋放出來(lái)，以針對(duì)檢測(cè)氬氣的存在性而對(duì)所述傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。14.傳感器方法，包括提供傳感器，用于探測(cè)靠近所述傳感器部件區(qū)域中氣體的存在；與連接到所述傳感器的復(fù)合材料連接，其中所述復(fù)合材料包括用于存儲(chǔ)氣體的金屬氫化物材料；和利用加熱器將所述金屬氫化物材料加熱到特定溫度，在該溫度下氣體從所述金屬氫化物材料中釋放出來(lái)，以針對(duì)檢測(cè)所述氣體的存在性對(duì)所述傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。15.權(quán)利要求14的方法，其中所述氣體包括氫氣。16.權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括構(gòu)造所述金屬氫化物材料以包括亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料的步驟。17.權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括以其粉末形式提供所述亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料的步驟。18.權(quán)利要求16的方法，其中所述亞穩(wěn)態(tài)金屬氫化物材料分散于聚合材料的整個(gè)多孔基質(zhì)中。19.權(quán)利要求18的方法，其中所述聚合材料包括聚乙烯。20.權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括如下步驟利用所述加熱器將所述金屬氫化物材料加熱到第一溫度并維持第一時(shí)段以達(dá)到其平衡，從而釋放第一已知量的所述氬氣，以使所述傳感器對(duì)所述氬氣做出反應(yīng)；和之后，將其響應(yīng)與存儲(chǔ)的數(shù)進(jìn)行比較以確定是否需要為其校準(zhǔn)而修正所述傳感器。21.權(quán)利要求20的方法，進(jìn)一步包括如下步驟之后，利用所述加熱器將所述金屬氫化物材料加熱到第二溫度并維持其第二時(shí)段以釋放第二已知量的所述氫氣，以使所述傳感器對(duì)所述氬氣做出反應(yīng)；和之后將其響應(yīng)與所述存儲(chǔ)的數(shù)進(jìn)行比較以確定是否需要為其校準(zhǔn)而修正所述傳感器。22.權(quán)利要求20方法，進(jìn)一步包括如下步驟之后利用所述加熱器將所述金屬氫化物材料加熱至第三溫度并維持其笫三時(shí)段以釋放第三已知量的所述氫氣，以使所述傳感器對(duì)所述氬氣做出反應(yīng)；和之后將其響應(yīng)與所述存儲(chǔ)的數(shù)進(jìn)行比較以確定是否需要修正所述傳感器。23.權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括了構(gòu)造所述金屬氫化物材料以使其包括無(wú)定形結(jié)構(gòu)的步驟。24.權(quán)利要求23的方法，其中所述金屬氫化物材料包括納米晶態(tài)材料。25.權(quán)利要求24的方法，其中所述納米晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)特征在于許多超細(xì)晶粒部被其大量的晶界分隔開(kāi)。全文摘要本文公開(kāi)了傳感器系統(tǒng)和方法。一般而言，提供傳感器以檢測(cè)靠近所述傳感器部件的區(qū)域中氣體(例如，氫氣)的存在。復(fù)合材料通常和傳感器連接，其中所述復(fù)合材料包含用于存儲(chǔ)氣體的金屬氫化物材料。也提供加熱器將金屬氫化物材料加熱到特定溫度，在該溫度氫氣從金屬氫化物材料中釋放出來(lái)，以針對(duì)檢測(cè)氣體的存在性對(duì)所述傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和自檢。文檔編號(hào)G01N33/00GK101111766SQ200580047344公開(kāi)日2008年1月23日申請(qǐng)日期2005年11月29日優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日發(fā)明者J·Z·劉申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司