英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
商用微机械氢气传感器安全传感应用性能指标评估
a.加拿大魁北克特洛伊里维埃雷斯魁北克大学微系统和通信实验室。
b.欧盟委员会，DG联合研究中心、能源和运输研究所，PO。1755 ZG Petten，荷兰，第二邮政信箱 。
c.美国运输和氢系统中心，美国国家可再生能源实验室，美国金色丹佛西公园路15013号，CO 80401-3305。
摘 要
在氢作为清洁能源载体的应用中，氢传感器越来越被认为是安全增强部件。提供低成本、可靠、高性能的氢传感器对于促进氢系统的广泛和安全部署至关重要。因此，正在开发基于先进制造技术的新传感元件设计。使用微加工技术，传统氢气传感元件的小型化版本已经在市场上推出，具有低成本和高性能传感指标的前景。本文对商用微机械传感元件的性能进行了评价。结果表明，虽然商用微机械传感器相对于传统传感器的性能有所善，但一些微机械传感器模型受到了显著的性能退化的困扰。此外，实验室评估确定的实际传感器性能往往不符合制造商公布的规格。本工作验证了微技术带来的传感指标改进以及它在指导最终用户安全应用方面的缺点。版权所有2014年，氢能出版物，有限责任公司。由Elsevier有限公司出版。所有权利保留。
关键词： 氢传感器传感元件；氢安全应用导热系数；金属氧化物微型机。
1. 导言
获得清洁、负担得起和安全的能源对于确保高质量的生活、工业增长和经济发展至关重要。氢已被确定为一种可行的替代能源载体[1]它的使用正在汽车等行业迅速扩大[2]叉车以及备用电力系统[3]。当由可再生能源生产时，氢就能解决与化石燃料有关的环境和供应安全问题[4,5]. 作为气体，氢具有物理和化学性质，需要特别考虑以确保其安全使用。 因为它是无臭无色的，人类的感官不会直接对氢作出反应；因此，传感器被用来检测它[6]。氢传感器市场已经存在，例如监测电池后备系统，以及采矿、石油、化学和航空航天工业。 然而，随着氢基础设施的扩大，以支持氢作为汽车燃料的生产、储存、分配和分配，对氢传感器的需求正在迅速增长应用程序 (包括2015预计商用氢动力燃料电池电动汽车的发布) 和固定应用，如国内热电联合应用和不间断电源应用。无论是老牌市场还是新兴市场都需要低成本、可靠的氢传感器[7].
为了确保氢传感器的可用性，以满足最终用户的需要，美国能源部内的能源效率和可再生能源办公室(EERE)[8]欧盟委员会联合研究中心(JRC)建立了传感器测试设施[9,10]。能源部和JRC传感器实验室的一个共同任务是教育氢社区正确使用氢传感器；这包括对与不同传感器设计相关的性能和局限性进行公正的评估[11]。作为其对氢安全承诺的一部分，能源部组织了几个氢传感器车间，以确定氢基础设施所需的特定传感器规格[12,13]。每个研讨会的参与者包括氢社区的一系列利益相关者，包括最终用户、传感器开发人员以及安全、代码和标准官员。
费用和反应时间被确定为关键差距氢传感器。作为研讨会的结果，指定经营实体为低成本传感器/传感元件指定了1s响应时间的目标规格[14]。自2005年以来，这两项要求在很大程度上指导了氢传感器的发展。传感器开发人员为提高响应时间以达到DOE目标而 采用的一种策略是将传感元件的几何尺寸小型化。同样，依靠规模生产经济的低成本制造方法正在实施，以降 低传感元件的单位成本。通过微型化和规模生产的经济性，响应时间的改善都可以通过微加工制造技术实现。事实上，用于多种平台类型的微加工氢传感元件现在可在商业上获得(例如催化eCAT、热导率eTC、金属氧化物eMOX)。
对于每种平台类型的微加工氢传感元件，响应时间都有了显著的改善，尽管DOE响应时间目标为1s的目标仍然难以实现。 此外，随着市场的增长，可以预期成本会降低，以便适当地利用规模生产经济。 然而，一些商业设备制造商似乎过于关注响应时间，而不太关注其他关键的传感器指标。许多商用氢微加工传感元件在某些关键指标中相对于其常规类似物遭受严重退化，包括长期和短期稳定性、动态范围、对恶劣环境的鲁棒性和重复性。通过对NREL和JRC传感器测试设施中测量的常规和微机械氢传感器性能的比较，本研究考察了小型化对具有代表性的 商用微机械传感元件性能指标的影响。本研究的具体目 的是：
- 为最终用户提供一种资源，以便就选择一种传感技术用于其应用作出更知情的决定。
- 通知和指导传感器制造商和开发人员进行设计修改，改进一个性能指标，但可能在其他指标中出现意外和不可接受的退化。
- 为研发支持提供有限资源分配指导。
本文将使用ISO26142中提出的术语[15]区分传感器和传感元件。传感元件是元件（电化学、热导率等）。与分析物气体（例如氢）反应或响应，以产生响应，然后可以处理成电信号。控制电路和用户界面允许实际使用此信号。传感技术的开发人员通常使用“传感器”一词来描述传感元件；然而，在本报告中，传感器将指由传感元件、控制电路和用户界面组成的仪表系统，该系统向最终用户提供分析上有用的信息
2. 微加工氢传感元件
2.1 定义
微加工装置是一种三维结构，具有微米尺寸，通常用硅微加工制造技术。偶尔，传感器开发人员使用微机电系统 (MEMS)一词来描述他们的传感器结构，因为生产MEMS器件和非MEMS微加工器件的制造协议是相似的。MEMS器件是在基片上采用微加工工艺在微米尺度上制造的机械器件。然而，MEMS器件包含了某种形式的实际机械运动或振动[16].因此，一个关键的区别是MEMS设备包含可驱动的机械运动部件，例如，通过在MEMS气体传感器中引入诱导机械运动变化的目标气体，例如传感元件的机械共振频率。在没有机械部件的情况下，微加工一词更合适。但是在那里 都是商业微型加工氢气传感器，但是，最近研究表演的可能性氢检测使用模因机械谐振器[17]。
（图1）一种用于氢的商用微型加工TC传感元件的结构
2.2 常见微机械氢气检测平台概述
文献和市场调查表明，大多数商用微机械氢安全传感元件都是基于TC、MOX和CAT平台的
2.2.1 导热系数传感器
TC传感器依赖于温度引起的电阻变化，在加热传感元件暴露于分析物后。TC传感元件加热略高于环境温度。除了输入功率，那个电子控制周围气体的TC系数(L)影响器件温度。较高的l会导致热量向周围环境的更大转移。氢的l为174mWm—1 k—1任何已知气体中最高的。TC传感器利用这一特性来检测和监测空气或其他气体基质中的氢。虽然TC传感器通常被销售为氢传感器，但它实际上对广泛的化学蒸气敏感。事实上，TC传感器通常被部署为a气相色谱仪中的非特异性检测器。然而，对氢浓度变化的敏感性明显大于任何其他气体或蒸汽。作为比较，氦的l为142mWm—1 k—1，30.0米—1 k—1 甲烷和24.3米Wm—1 k—1为了氮气。 应该注意的是，在TC传感器中，传导机制与物理性质的变化有关(即由周围气体的TC变化引起的传感元件温度的变化)。这意味着测试气体不会与传感发生化学反应，元素和测试气体的组成保持不变。因此，TC传感器往往不像其他平台那样容易受到化学相互作用引起的降解[18]。
传统的TC传感元件通常使用悬浮在两个安装柱之间的贵金属丝。对于操作，灯丝通常是通过电流通过它而电加热的（例如焦耳加热）。最终封装的传感器的尺寸约为1厘米2，不包括支持电路。
微加工TC传感元件使用由表面或块状微加工（或两者的组合构建的微米尺度特征）[19]。示了TC微结构传感元件的表示图1。传感元件由温度相关的电阻膜或热电偶和单独的平面加热器组成，两者都集成在微加工膜上。随着周围气体组成的变化，加热器和传感元件之间的热对流发生了变化；这改变了传感元件的温度，从而影响其电阻或热电偶在热电偶传感元件的情况下产生的X电压。微加工TC传感元件的尺寸在10e1000mm范围内。
2.2.2 金属氧化物传感器
该MOX传感器是以宽禁带材料为传感元件的多晶固态器件。氧化物半导体使用氧化锡(SnO2)或其他金属氧化物作为传感材料。MOX传感器通常在室温下是绝缘体，但在高温下会导电。气体的吸附改变了MOX多晶材料能带结构内的电子密度，从而导致电导率的变化。这种变化的数量取决于气体的性质和浓度以及MOX材料的类型。在氢存在下，MOX的电阻降低[20].
在常规制备的MOX传感元件中，活性材料通常嵌入在多孔烧结玻璃基体中，并在内部加热器线圈周围形成珠子。氢可以在孔隙内扩散并与氧化物相互作用，导致其氧含量降低，从而降低晶粒间的表面电位，从而降低传感元件的电阻[21].
微加工MOX气敏元件已被广泛报道和综述。例如，2001年，Simon等人[22] 讨论了MOX传感元件的微加工工艺和传感层沉积技术。微加工传感元件由绝缘微加工膜组成，其顶部表面涂覆有交叉电极，其上有MOX沉积了传感材料[23]. 在膜的底部制作了一个集成加热器。膜电隔离气敏层与加热器。图2 给出了该MOX微加工传感元件设计的结构 这种微加工传感元件的设计比传统的传感元件具有更低的功率要求。莫克斯感知要素还报道了通过微加工改进其他性能指标，如较低的检出限(LDL)和动态范围。值得注意的是，有许多品种的微加工MOX传感器和引用的结构只是一个有代表性的设计[24]. 实验评价，如所讨论的下文，表演那个不是全部微型加工莫克斯传感元件相对于传统的性能指标表现出改进的性能指标设计。
（图2）用于氢的微加工MOX传感元件的结构
2.2.3 催化传感器
CAT传感元件是基于氢或其他可燃气体在催化表面的热氧化（例如燃烧）引起的热量的产生。传统的CAT传感元件通常有嵌入在陶瓷珠(Pellistor)中的铂丝)。通过表面燃烧加热催化珠会提高珠的温度，从而导致嵌入丝的电阻增加。CAT传感元件通常包括与分析物不发生反应的参考隔离电阻。有源和孤立的电阻都安装在惠斯通桥上。光敏电阻暴露在可燃气体中会改变铂的电阻电线，其中创造a不平衡在的惠斯通桥。可燃气体浓度与加热铂丝电阻的变化有关[25]. 微加工技术已被用于构建氢CAT传感元件[26,27].图3。 最早的微加工CAT传感元件之一是基于表面硅微加工技术[28] 尺寸约为850毫米2。
3. 实验
本研究旨在评估与不同设计特征相关的一般传感器性能行为。通常，每个测试评估三个特定型号的传感器。这不是对特定技术或产品的评估，因此，没有根据传感器测试实验室的相关政策确定传感器或传感元件模型、制造商或部件编号。
（图3）用于氢的微机械CAT传感元件的结构
3.1 传感器平台
进行了一次市场调查，以确定商用现成的氢传感器和微型加工和常规格式的传感元件。购买和测试了带有常规和微型加工传感元件的TC传感器（即由制造商将传感元件仪器化为传感器包）。商用TC传感器有一个电子输出，很容易转换为体积百分比的氢，使用制造商提供的校准程序，从而允许直接定量测试气体中的氢。没有商业控制电路的MOX传感元件也被购买和测试。MOX传感元件（常规和微加工）有一个电阻输出，它被转换成电压，使用内部电路，根据制造商的建议建造。先前评估了一种商用微型制造的CAT传感元件[29]。在先前的研究中发现，在重复暴露于氢之后，CAT 传感材料的性能下降和微观结构发生变化。此外，由于缺乏物理鲁棒性，被测试的设备往往过早失效。本研究的结果表明，这种特殊的CAT传感元件不符合目前研究中应包括的最低性能要求。然而，TC和MOX平台的使用足以说明与传感元件小型化相关的潜在积极和消极影响，这是本文的主要目标。
3.2 传感器测试装置
对氢安全传感器和传感元件的评估是JRC能源和运输研究所和美国传感器测试设施内的一项持续活动。能源部(DOE) 国家可再生能源实验室(NREL)[30] 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[405353]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
