CN105954200A - 一种基于氢气检测功能的冶炼设备 - Google Patents

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CN105954200A CN201610256625.3A CN201610256625A CN105954200A CN 105954200 A CN105954200 A CN 105954200A CN 201610256625 A CN201610256625 A CN 201610256625A CN 105954200 A CN105954200 A CN 105954200A
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Abstract

本申请涉及一种基于氢气检测功能的冶炼设备，该冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；所述敏感单元为中部为中空结构的双层结构；该冶炼设备基于WO3纳米材料的气敏性质和气致变色性质，可以实现对氢气的可视化检测，反应响应时间短，灵敏度高，并且使用方便，易于操作。

Description

一种基于氢气检测功能的冶炼设备
技术领域
本申请涉及冶炼领域，具体涉及一种基于氢气检测功能的冶炼设备。
背景技术
大多数金属矿石是含有杂质的金属化合物，主要是氧化物和硫化物。含杂质少的天然矿石可以直接进入冶炼过程；杂质多的则先经过精选富集成为精矿再行冶炼。氧化物矿石多用焦炭及其燃烧产生的一氧化碳气在竖式或卧式炉、窑中还原，少数用氢或甲烷等还原。硫化物矿石则一般先在氧化气氛的炉、窑中焙烧，将硫氧化为SO2，随气流排出并被收集，然后再处理留存的金属氧化物。冶炼设备主要包括与所冶炼的矿石相适应的各种炉、窑和配套的上料、出料、铸锭和冶金车辆等设备。
由于冶炼过程中会产生或者用到各种有毒有害气体，然而，现有冶炼设备一般不具备该有毒有害气体检测功能。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值；所述敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于30nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约30nm。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备的制备方法，优选地，所述气致变色气体传感器的敏感单元的制作包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
本申请的实施例提供的技术方案包括以下有益效果：
1.结构方面，创造性的采用双层膜结构，结合了氧化钨材料的气敏特性和气致变色特性，增大了器件的应用范围；
2.氧化钨气敏薄膜基于薄膜型电阻传感器，薄膜通过磁控溅射方法制作，制作过程中通过控制氧分压与掺杂氧化锡，使得薄膜对NO2的选择性与灵敏度均大大提高；
3.氧化钨气致变色薄膜为氧化钨纳米线掺杂四苯基卟啉锌衍生物(ZnTPP-2-NO2)材料，该掺杂材料作为催化剂，大大提高了氧化钨纳米线对H2的反应活性，提高了灵敏度，并且实现了对氢气的“可视嗅觉”测量。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。
图2是制备图1中的敏感单元的流程图。
其中：1-石英玻璃基底，2-叉指电极层，3-WO3气敏薄膜层，4-中空结构，5-WO3气致变色层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不只是所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
现代社会，随着经济与工业的不断发展，人类对各种自然资源的消耗不断增加，由于追求经济目标与环保意识的欠缺，环境的污染问题越发严重。与此同时，表现在气体方面，生产生活中排放的各种易燃、易爆、有毒气体以及环境中气体的泄露、污染也是人们财产安全与人身安全的一大威胁。因此，气体传感器技术是当前研究的重要课题之一。气体传感器是一种能够感知周围环境目标气体浓度变化并进行有效监测的装置或器件，其所依据的是物理原理或化学反应等，气敏传感器的类型主要有半导体气敏传感器、电化学气体传感器、接触燃烧式气敏传感器、光学式气敏传感器等。WO3是一种理想的可控变色材料，可实现对可见光及近红外辐射透过率的连续调节。从1969年Deb首次报道的非晶WO3薄膜的电致变色效应以来，陆续发现其气致变色、光致变色、热致变色等性能，同时，作为过渡金属氧化物，三氧化钨对某些气体，如NO2、NO、NH3、H2、H2S等均表现敏感特性；与电致变色器件相比，WO3气致变色器件具有系统结构简单，成本相对低廉等优点，因此将其气致变色特性与气敏特性相结合，对气敏光学型传感器件的发展有重要意义。
本申请中采用的气敏传感器的工作原理为：气敏传感器是传感技术的一个重要分支。根据结构和材料等可将气敏传感器分为不同类型，其中，金属氧化物气敏传感器所采用的主要敏感材料是宽禁带n型金属氧化物半导体，其对多种气体均表现良好的敏感特性。
半导体金属氧化物气敏传感器的敏感机理为：敏感材料被制作成为薄膜等利于接触大气的结构，在加热情况下，当其暴露于大气中时，敏感材料的表面总是会吸附一定量的氧离子，形成表面势垒和空间电荷层，会使敏感材料的表面电子浓度下降，进而电导率下降；当目标气体为还原性气体时(如CO、H2)，该还原性气体会吸附在敏感材料表面，并与表面的氧发生反应，使表面电子浓度上升，电导率随之上升；当目标气体为氧化性气体时(如NO2)，该氧化性气体在敏感材料表面的吸附更进一步增加了氧的吸附量，使得敏感材料的电导率进一步下降；即目标气体的浓度与敏感材料的电导率有相关性，由此，通过测定敏感材料电导率的变化从而测定目标气体的浓度。
气致变色是指材料接触到某些气体后，因为发生的可逆化学反应使得材料产生对特性波长的光吸收的显色效应，材料的吸收光谱会发生变化，宏观表现为材料颜色的变化。具体到WO3接触氢气后，其与氢气发生可逆反应，会形成钨青铜结构(HxWO4)，由于该结构为蓝色，表现为WO3薄膜的颜色会由原来的透明变色蓝色，又因为薄膜颜色的变化会使得其透过的光强度发生变化，即薄膜的透光率发生变化，因此可以通过测量薄膜的透光率测定氢气的浓度。
本申请基于WO3材料的气致变色性质和气敏性质，通过双层膜结构将其结合；一方面，WO3气敏薄膜可以在外接电源和加热的情况下测量NO2浓度，另一方面，在不能加热和不加电等有特殊要求的环境下，WO3气敏薄膜材料表现出局限性，此时可以通过WO3气致变色薄膜对H2进行检测。
实施例1：
提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值。
图1是本发明采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。参照图1，该敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于30nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约30nm；
图2是根据一示例性实施例示出的制备敏感单元的流程图，如图2所示，包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
数据测试：
A面中，气敏测试在气敏元件测试系统上完成，将制作好的器件放入石英管中，加热单元加热使敏感单元的工作温度为120℃，待稳定后，通入由空气和一定浓度NO2配置的混合气体，保持30min，再次通入纯空气，记录WO3气敏薄膜层的电阻值，分别为R(NO2)和R(air)，定义气敏灵敏度为：S＝R(NO2)/R(air)，响应时间定义为通入测试气体后电阻变化到最大变化电阻的80％所需要的时间。测试发现，该氧化钨气敏薄膜在8ppm浓度的NO2气体中灵敏度为30；最小响应时间为12s；经过100次疲劳测试，电阻响应值下降到原来的86％。WO3气敏薄膜表现出良好的灵敏度、响应时间和重复性。
B面中，采用分光光度计对不同浓度H2气氛中WO3气致变色层进行透光率测试，定义T0为未通H2时样品的透光率，T为通入一定浓度H2时样品的透光率，相对透光率：，在通入H2浓度为5000ppm时，相对透光率随波长变化，最小为4％，最大为63.7％，并且经过约10min，相对透光率趋于稳定，可见随被测气体通入，氧化钨气致变色层透光率下降，表现为薄膜颜色由原来的透明变为蓝色，响应时间短，表现良好的气致变色性能。
测试发现，该冶炼设备安装有气致变色气体传感器，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测，并且响应时间短，灵敏度高，变色范围较大，实现了意想不到的效果，具有一定的实际应用价值。
实施例2：
提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值。
图1是本发明采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。参照图1，该敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于90nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为500nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约60nm；
图2是根据一示例性实施例示出的制备敏感单元的流程图，如图2所示，包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，330℃处理1h获得种子层，厚度为35nm；(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.4mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
数据测试：
A面中，气敏测试在气敏元件测试系统上完成，将制作好的器件放入石英管中，加热单元加热使敏感单元的工作温度为120℃，待稳定后，通入由空气和一定浓度NO2配置的混合气体，保持30min，再次通入纯空气，记录WO3气敏薄膜层的电阻值，分别为R(NO2)和R(air)，定义气敏灵敏度为：S＝R(NO2)/R(air)，响应时间定义为通入测试气体后电阻变化到最大变化电阻的80％所需要的时间。测试发现，该氧化钨气敏薄膜在8ppm浓度的NO2气体中灵敏度为30；最小响应时间为15s；经过100次疲劳测试，电阻响应值下降到原来的86％。WO3气敏薄膜表现出良好的灵敏度、响应时间和重复性。
B面中，采用分光光度计对不同浓度H2气氛中WO3气致变色层进行透光率测试，定义T0为未通H2时样品的透光率，T为通入一定浓度H2时样品的透光率，相对透光率：，在通入H2浓度为5000ppm时，相对透光率随波长变化，最小为7％，最大为63％，并且经过约10min，相对透光率趋于稳定，可见随被测气体通入，氧化钨气致变色层透光率下降，表现为薄膜颜色由原来的透明变为蓝色，响应时间短，表现良好的气致变色性能。
测试发现，该冶炼设备安装有气致变色气体传感器，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测，并且响应时间短，灵敏度高，变色范围较大，实现了意想不到的效果，具有一定的实际应用价值。
实施例3：
提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值。
图1是本发明采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。参照图1，该敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于50nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为500nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约50nm；
图2是根据一示例性实施例示出的制备敏感单元的流程图，如图2所示，包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1.5μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取22g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；(3)取钨酸钠粉末3.62g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
数据测试：
A面中，气敏测试在气敏元件测试系统上完成，将制作好的器件放入石英管中，加热单元加热使敏感单元的工作温度为120℃，待稳定后，通入由空气和一定浓度NO2配置的混合气体，保持30min，再次通入纯空气，记录WO3气敏薄膜层的电阻值，分别为R(NO2)和R(air)，定义气敏灵敏度为：S＝R(NO2)/R(air)，响应时间定义为通入测试气体后电阻变化到最大变化电阻的80％所需要的时间。测试发现，该氧化钨气敏薄膜在8ppm浓度的NO2气体中灵敏度为30；最小响应时间为15s；经过100次疲劳测试，电阻响应值下降到原来的84％。WO3气敏薄膜表现出良好的灵敏度、响应时间和重复性。
B面中，采用分光光度计对不同浓度H2气氛中WO3气致变色层进行透光率测试，定义T0为未通H2时样品的透光率，T为通入一定浓度H2时样品的透光率，相对透光率：，在通入H2浓度为5000ppm时，相对透光率随波长变化，最小为6％，最大为57.7％，并且经过约10min，相对透光率趋于稳定，可见随被测气体通入，氧化钨气致变色层透光率下降，表现为薄膜颜色由原来的透明变为蓝色，响应时间短，表现良好的气致变色性能。
测试发现，该冶炼设备安装有气致变色气体传感器，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测，并且响应时间短，灵敏度高，变色范围较大，实现了意想不到的效果，具有一定的实际应用价值。
实施例4：
提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值。
图1是本发明采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。参照图1，该敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于80nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约60nm；
图2是根据一示例性实施例示出的制备敏感单元的流程图，如图2所示，包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为85s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
数据测试：
A面中，气敏测试在气敏元件测试系统上完成，将制作好的器件放入石英管中，加热单元加热使敏感单元的工作温度为120℃，待稳定后，通入由空气和一定浓度NO2配置的混合气体，保持30min，再次通入纯空气，记录WO3气敏薄膜层的电阻值，分别为R(NO2)和R(air)，定义气敏灵敏度为：S＝R(NO2)/R(air)，响应时间定义为通入测试气体后电阻变化到最大变化电阻的80％所需要的时间。测试发现，该氧化钨气敏薄膜在8ppm浓度的NO2气体中灵敏度为35；最小响应时间为15s；经过100次疲劳测试，电阻响应值下降到原来的86％。WO3气敏薄膜表现出良好的灵敏度、响应时间和重复性。
B面中，采用分光光度计对不同浓度H2气氛中WO3气致变色层进行透光率测试，定义T0为未通H2时样品的透光率，T为通入一定浓度H2时样品的透光率，相对透光率：，在通入H2浓度为5000ppm时，相对透光率随波长变化，最小为4％，最大为59.7％，并且经过约10min，相对透光率趋于稳定，可见随被测气体通入，氧化钨气致变色层透光率下降，表现为薄膜颜色由原来的透明变为蓝色，响应时间短，表现良好的气致变色性能。
测试发现，该冶炼设备安装有气致变色气体传感器，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测，并且响应时间短，灵敏度高，变色范围较大，实现了意想不到的效果，具有一定的实际应用价值。
实施例5：
提供一种基于氢气检测功能的冶炼设备，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值。
图1是本发明采用的气致变色气体传感器中敏感单元的示意图。参照图1，该敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔。A面中，所述SnO2的颗粒度小于50nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为400nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约30nm；
图2是根据一示例性实施例示出的制备敏感单元的流程图，如图2所示，包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.5g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.6mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
数据测试：
A面中，气敏测试在气敏元件测试系统上完成，将制作好的器件放入石英管中，加热单元加热使敏感单元的工作温度为120℃，待稳定后，通入由空气和一定浓度NO2配置的混合气体，保持30min，再次通入纯空气，记录WO3气敏薄膜层的电阻值，分别为R(NO2)和R(air)，定义气敏灵敏度为：S＝R(NO2)/R(air)，响应时间定义为通入测试气体后电阻变化到最大变化电阻的80％所需要的时间。测试发现，该氧化钨气敏薄膜在8ppm浓度的NO2气体中灵敏度为30；最小响应时间为15s；经过100次疲劳测试，电阻响应值下降到原来的83％。WO3气敏薄膜表现出良好的灵敏度、响应时间和重复性。
B面中，采用分光光度计对不同浓度H2气氛中WO3气致变色层进行透光率测试，定义T0为未通H2时样品的透光率，T为通入一定浓度H2时样品的透光率，相对透光率：，在通入H2浓度为5000ppm时，相对透光率随波长变化，最小为4％，最大为59.7％，并且经过约10min，相对透光率趋于稳定，可见随被测气体通入，氧化钨气致变色层透光率下降，表现为薄膜颜色由原来的透明变为蓝色，响应时间短，表现良好的气致变色性能。
测试发现，该冶炼设备安装有气致变色气体传感器，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测，并且响应时间短，灵敏度高，变色范围较大，实现了意想不到的效果，具有一定的实际应用价值。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (2)

1.一种基于氢气检测功能的冶炼设备，其特征在于，所述冶炼设备外表面安装有气致变色气体传感器，所述气致变色气体传感器基于WO3气敏材料和WO3气致变色材料；所述气致变色气体传感器包括敏感单元、加热单元和数据读取单元；所述加热单元和数据读取单元与敏感单元的氧化钨气敏薄膜连接；所述加热单元作为氧化钨气敏薄膜工作时的加热源；数据读取单元处理氧化钨气敏薄膜的电导率变化信号以显示目标气体的浓度值；所述敏感单元为中空结构的双层结构，形成双层结构的A面结构和B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封；所述A面包括石英玻璃基底、叉指电极层和WO3气敏薄膜层，WO3气敏薄膜层为掺杂SnO2的WO3薄膜，可以实现对NO2气体的检测，所述B面包括石英玻璃基底和WO3气致变色层，WO3气致变色层为WO3纳米线薄膜掺杂ZnTPP-2-NO2，利用气致变色原理可以实现对氢气的可视化检测；所述B面结构上还设置有2个用于目标气体透入的透气孔；A面中，所述SnO2的颗粒度小于30nm，所述WO3气敏薄膜层厚度为700nm；B面中，所述WO3纳米线长度约1μm，直径约30nm。
2.制备权利权利要求1所述的一种基于氢气检测功能的冶炼设备，其特征在于，其中，所述气致变色气体传感器的敏感单元的制作包括以下步骤：
S1、制备A面结构，包括以下实施步骤：
(1)取一定尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min；
(2)在石英玻璃基底上旋涂一层光刻胶，厚度1μm，在叉指电极掩模版覆盖下曝光6s，然后经过显影50s后用去离子水清洗，采用磁控溅射方法镀一层300nm厚的Cr膜作为叉指电极层，然后去除光刻胶；
(3)将石英玻璃基底放入磁控溅射仪中，抽真空至5×10-4Pa以下，通入Ar和O2的混合气体，调节Ar:O2比例为5:1，工作压强为2.4Pa，在靶材为纯度99.96％的金属W靶磁控溅射28min，靶材为纯度98％的金属锡靶磁控溅射2min，得到掺杂SnO2的WO3薄膜，即WO3气敏薄膜层；
S2、制备B面结构，包括以下实施步骤：
(1)取相同尺寸(4cm×4cm)的石英玻璃基底，依次经过丙酮、乙醇、去离子水、NaOH水溶液、去离子水超声清洗，时间均为20min；
(2)取20g钨酸钠溶于200ml水中，加入过量的浓盐酸得到活性钨酸沉淀，将其过滤，再用去离子水清洗直至检测不到氯离子，然后将活性钨酸沉淀溶于过氧化氢中，制得溶胶，旋涂于石英玻璃基底上，350℃处理1h获得种子层，厚度为20nm；
(3)取钨酸钠粉末4.12g溶于60ml去离子水，用3M HCl溶液调节其pH为2.0，然后加入2.1g(0.3M)硫酸铵作为控制剂，将石英玻璃基底平放在去离子水中，搅拌1小时后，倒入不锈钢水热反应釜中，在烘箱中加热至150℃保持10h，然后取出石英玻璃基底用去离子水清洗；
(4)选用三氯甲烷为溶剂，取3.8g ZnTPP-2-NO2配制成5.0mg/ml的溶液，超声处理20min，使溶液均匀，通过滴胶方式将所制溶液滴涂在石英玻璃基底表面，设定旋涂速度为3400rpm，旋涂时间为70s，最后将石英玻璃基底在真空干燥箱中60℃下干燥12h，得到掺杂ZnTPP-2-NO2的WO3纳米线薄膜，即WO3气致变色层；
S3、组装：将制作完成的A面、B面结构相对放置，距离500μm，A面结构和B面结构交接的周边采用胶体密封，即得所述气致变色气体传感器的敏感单元。
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