氧化锌硫传感器测量系统的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于确定诸如液体燃料(34)的液体(34)中的硫浓度的测量系统。所述测量系统包括至少部分地涂覆有氧化锌，以及更具体地为氧化锌微结构(31)，的第一电极(32)。所述氧化锌微结构(310具有沿(002)面取向的晶格结构。所述第一电极(32)可被连接到静电计(36)，所述静电计转而可被连接到第二电极(132)。所述第二电极(132)设置在与所述第一电极(32)的共同衬底(30)上，或者可以以板的形式被设置为基本上平行于所述第一电极(32)。
【专利说明】氧化锌硫传感器测量系统
【技术领域】
[0001] 本公开一般涉及用于检测和测量液体中的硫浓度的传感器和测量系统。更具体 地，本公开涉及用于测量液体中的硫浓度的具有改进的氧化锌硫传感器的硫测量系统以及 本领域的操作员可使用的制造改进的硫测量系统的方法。
【背景技术】
[0002] 能够精确地并且可靠地测量液体中的硫的浓度是重要的，因为可发生可以释放有 害的硫化合物到大气中或者到含硫液体周围的物理结构上的各种化学反应。例如，柴油燃 料的燃烧通常生成氧化硫（so 2, so3)和硫酸（H2S04)，其为酸雨的成分并且受制于环境规 制。进一步，这些硫化合物已经与柴油颗粒物过滤器（DPF)中的催化剂中毒相关联，并且 硫酸可腐蚀诸如冷却器和活塞环衬里部件的发动机部件。当使用高硫（>350ppm)和低硫 (15-350ppm)燃料二者时，这些现象可发生。
[0003] 由于这些原因，包括对硫化合物的后处理部件的灵敏度，现在许多现代柴油发动 机正在被设计为使用超低硫柴油（ULSD)燃料（<15ppmS)。作为这些设计改变的结果，为了 许多现代柴油发动机的最佳性能，在柴油燃料中的低硫浓度现在是必要的。虽然在实验室 或者其它测试装置中能实现低于15ppm水平的液体中的硫检测，目前不能在本领域中实现 通过精确的、便携的、可靠的、快速的并且廉价的传感器进行这样的检测。已知的在超低水 平检测硫的手段的实例包括火焰光度检测（FPD)和电感耦合等离子体（ICP)装置，但是由 于设备的尺寸和测试循环的持续时间，二者都是在实验室装置中使用更恰当。
[0004] 相应地，需要有紧凑的、易于使用的并且能够由本领域中的设备操作员快速检测 柴油燃料中的硫化合物浓度的硫测量系统。
【发明内容】
[0005] 在一个方面，公开一种用于液体的硫浓度测量系统。所述硫浓度测量系统包括至 少部分地涂覆有氧化锌的衬底。如果所述衬底为绝缘体，可在所述衬底和所述氧化锌涂层 之间的间隔开的位置设置第一和第二电极。在所述第一和第二电极之间施加电流源或者电 压源，并且可包括用于测量在所述第一和第二电极之间的电压或者电流的静电计、电压表 或者电位计，所述电压或者电流可被关联到所述液体中的硫浓度。
[0006] 在本公开的另一方面，公开一种包括至少部分地涂覆有氧化锌的板状的第一电极 的硫浓度测量系统。所述氧化锌可具有微结构，所述微结构具有沿（002)面取向的晶格结 构并且所述传感器也可包括板状的第二电极，所述第二电极被与所述第一电极间隔开并且 被设置为基本上平行于所述第一电极。通过吸收后的氧化锌，在所述第一和第二电极之间 生成开路电位。经过短暂的时期后，所述电压稳定化。可以使用稳定化的电压水平和/或 电压稳定化所需的时间来测量液体中的硫化合物的浓度。
[0007] 在又一方面，公开一种用于测量液体中的硫浓度的方法。所述方法包括将液体暴 露到硫传感器。所述传感器包括至少部分地覆盖有从第一电极突起的氧化锌微结构的第一 电极。所述氧化锌微结构中的至少一些具有沿（002)面取向的晶格结构。所述硫传感器还 具有多种形式的第二电极。首先，如果在绝缘衬底上形成一个电极（"工作"电极），也在 所述衬底上在与所述第一电极间隔开的位置上形成第二（"参比"）电极。接着，电极和所 述衬底都至少部分地覆盖有所述氧化锌涂层。其次，所述第一电极可为导电的并且至少部 分地覆盖有氧化锌涂层，或者所述第一电极可在被所述氧化锌覆盖之前被沉积在绝缘衬底 上。第二电极可被耦合到所述第一电极/衬底，但却与所述第一电极/衬底间隔开，并且设 置为至少基本上平行于所述第一电极/衬底。如果所述第一和第二电极都被沉积在所述氧 化锌涂层的下方的绝缘衬底上，所述方法可进一步包括在所述第一和第二电极之间施加恒 定电流，监视在所述第一和第二电极之间的电压以及，在电压已经稳定化后，将稳定化的电 压关联到液体中的硫浓度。如果所述衬底/第一电极/氧化锌涂层被物理地从所述第二电 极间隔开，则不需要电流源或者电压源，并且在所述第一和第二电极之间的稳定化电压可 用电压表、静电计或电位计测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为如本文所公开的在衬底或者第一电极上的氧化锌微结构的横截面图。
[0009] 图2为开路电位测量的一种方法的示意图，其中，公开的传感器被至少部分地浸 入带测量的液体中，并且被连接到第一电极，该第一电极被连接到电位计，该电位计转而被 连接到至少部分地被浸入液体中的第二电极。
[0010] 图3为包括第一电极的公开的传感器的透视和示意图，该第一电极通过预定距离 从第二电极间隔开，借此两个电极都被连接到电位计、静电计或电压表。
[0011] 图4为示出通过由绝缘材料制造的紧固件的第二电极到第一电极的耦合的侧视 图。
[0012] 图5为用于第一和/或第二电极的一种公开的形状的平面图。
[0013] 图6为用于第一和/或第二电极的另一种公开的形状的平面图。
[0014] 图7图示示出公开的氧化锌传感器的用以吸收硫直到硫浓度达到特定值的能力， 其指示了硫和液体的浓度。
[0015] 图8图示示出用于使用不同前驱体和/或不同反应条件生成的七个不同氧化锌涂 层（A-G)的X射线衍射谱。
[0016] 图9图示示出如图10中的照片所示的在铜衬底上设置的氧化锌涂层吸收液体中 的浓度范围从lppm到350ppm的硫的能力。
[0017] 图11图示示出如图12中的照片所示的在不锈钢衬底上的公开的氧化锌涂层吸收 液体中的浓度范围从15ppm到3600ppm的硫的能力。
[0018] 图13显示氧化锌涂层的两张不同放大倍数的SEM照片，该氧化锌涂层包括从衬底 向上突起的棒状或者带状微结构，并且如图14所示，可以吸收硫化合物。
[0019] 图14图示示出如图13所示的涂层在约100秒内吸收并检测5ppm的浓度的硫的 能力以及在约80秒内吸收并检测约386ppm的浓度的硫的能力，并且图14还图示示出由图 13的涂层制成的传感器的灵敏度。
[0020] 图15图示示出图18-19中的样品67的用以检测处于低浓度（10. 7ppm到48ppm) 的硫和液体的能力，以及归因于如图18-19所示的在（002)面的高结晶度的样品67增加的 灵敏度。
[0021] 图16图示示出图18-19中的样品23的用以检测处于低浓度（10. 7ppm，20. 3ppm 和48ppm)的硫和液体的能力，以及与样品67相比，样品23的降低的灵敏度，这归因于如图 18-19所示的在（002)面的相对低的结晶度。
[0022] 图17图示示出图18-19中的样品106的用以检测处于低浓度（10. 7ppm，20. 3ppm 和48ppm)的硫和液体的能力，以及与样品67相比，样品106的降低的灵敏度，这归因于如 图18-19所示的在（002)面的相对低的结晶度。
[0023] 图18图示示出氧化锌涂层的结晶度，特别是四个氧化锌涂层在（002)面的高结晶 度，具体地使用相同的工艺参数制造的标号为65、67、130和134的样品。
[0024] 图19也图示示出与标号为23和106的样品相比，标号为67的样品在（002)面的 高结晶度结构。
[0025] 图20图示示出与样品23和106相比，样品67的增加的灵敏度。
[0026] 图21图示示出标号为23的样品的对各种硫浓度的响应的改进，由此，通过在测量 之间用戊烷清洗传感器，获得在响应中的改进，通过在曲线中表明硫浓度的稳定电压水平 之间的尖峰表明的戊烷清洗。
[0027] 图22为通过样品23进行的测量的可重复性的另一图示说明，其中，在测量之间清 洗样品23,并且以不同的顺序进行二次测量，因而，表明通过样品23进行的测量的可重复 性。
[0028] 图23为公开的传感器的侧视图，该传感器由绝缘衬底、两个间隔开的在衬底上形 成的电极和公开的至少部分地覆盖电极和衬底的氧化锌涂层构建。
[0029] 图24为图23的传感器的顶视图，其中，电极被设置在氧化锌涂层的下方，并且用 阴影表示。
【具体实施方式】
[0030] 图1显示衬底30的横截面，其可为至少部分地涂覆有多个氧化锌微结构31的第 一电极。微结构31从衬底30或者电极向上突起。虽然本文使用术语"微结构"以描述氧 化锌突起的尺寸的性质，本领域技术人员将理解氧化锌突起31的实际尺度可接近或者进 入纳米尺度或备选地，大于微尺度。
[0031] 衬底30可为导电的或者非导电的。非导电的衬底30可为陶瓷或者任何对本领域 技术人员而言显而易见的各种非导电衬底中的任一种。导电衬底也可极大地变化，并且可 消除用以形成第一电极32 (见图2)的额外工艺步骤的需求或者对其中第一电极32被附着 或者耦合到衬底30或被沉积到在氧化锌突起31下方的衬底30上的单独的制造步骤的需 求。图2为开路电位系统，并且不需要电压或者电流输入。"第一"电极32通常被称为工作 电极；"第二"电极通常被称为参比电极。当氧化锌微结构31吸收硫化合物时，电位被生成 并且可以使用图2所示的系统被测量。
[0032] 图23-24示出另一公开的测量系统。在此系统中，采用绝缘衬底51。在将氧化锌 层54沉积在衬底51上之前，将两个电极52、53沉积到衬底51上。在电极52、53之间可施 加已知电流或者电压，并且通过电压表或者静电计55测量在电极52、53之间所得到的电位 或者电流。可通过掺杂、改变电极52、53之间的距离、电极的图形等，操控硫化合物到氧化 锌涂层54的微结构31(图1)上的吸收所导致的电阻率改变，所以总电阻落入适合于测量 的范围内。
[0033] 基于有机硫化合物到氧化锌的物理吸收，设计公开的硫传感器和测量系统。发明 人惊奇地发现有机硫化合物到氧化锌上的物理吸收的速率可为氧化锌的结晶度和氧化锌 的结晶度沿（002)面、或者从图1的衬底30或电极向外突起的面、或者从如图2所示的第 一电极32的表面33向外突起的面的取向的函数。如下面所解释，还惊奇地发现物理吸收 的速率也取决于氧化锌涂层的棒状或者带状形态以及氧化锌涂层的氧缺乏。
[0034] 有机硫化合物到氧化锌上的物理吸收是至少部分地基于归因于氧化锌涂层或者 微结构中的晶相的氧化锌与有机硫化合物的良好吸附亲和力。有机硫化合物到氧化锌突起 上的物理吸收导致氧化锌微结构的外层的电阻率的改变。氧化锌微结构的电阻改变的量直 接与液体中能够与氧化锌微结构31中的锌起反应的硫化合物的量相对应于。在图2中，可 以通过测量在第一和第二电极32、35之间的电压改变测量该电阻率的改变。进一步，如下 所示，可通过测量电压稳定化所需的时间的量，来确定硫浓度。
[0035] 参考图2，在一个方面，在其表面33上带有氧化层涂层（未示出）的衬底30至少 部分地被浸入液体34中。第二电极35也被至少部分地浸入液体34中。第一和第二电极 32,35被耦合到电位计、静电计或者电压表36。如图7所示，因为进行硫化合物到表面33 上的氧化锌微结构31 (图1)上的吸收，将基于被测液体中的硫化合物的浓度建立平衡。
[0036] 图3示出用于传感器38的改进配置，与图2的传感器37相比，该传感器38提供 更快和更可靠的结果。传感器38包括通过距离D与第二电极35间隔开的第一电极32，该 距离D的范围可以从约0. 2至约4mm，在一个具体实施例中，距离D为约0. 4mm。如图2所 示，第一和第二电极32、35被连接到耦合到电位计、静电计或者电压表36的线41、42。
[0037] 如同第一和第二电极32、35之间的间距那样，第一和第二电极32、35的尺寸可变 化很大。例如，第一和第二电极32、35的宽度可为至少约10mm,并且第一和第二电极32、35 的长度可为至少约25mm。成功的尺寸包括17mm乘34mm和33. 8mm乘84. 6mm。对于这两组 尺度，将间隙距离D设置为约0. 4_。
[0038]因为公开的硫测量系统可在诸如燃料的介电流体中使用，该燃料包括柴油燃料， 已经发现在第二电极35和第一电极32之间的电阻太高以致不允许开路电位布置（例如， 如图2所示）中的精确电压测量。还发现，如距离和第二电极35的取向的定位因素，可引 入电容噪声。结果，发明人惊奇地发现第二电极35从棒状结构到板状结构的表面积的增加 和在第一和第二电极32、35之间的距离D的减少，可同时降低电阻并且增加电容。例如，使 用3_的间隙距离D和将第二电极35从棒状结构改变至与第一电极32相同或者相似尺寸 的板状结构，能够以约60的因子减少在第一和第二电极32、35之间的电阻，从而增加图3 所示的传感器38的电容至图2所示的传感器37的电容的约60倍。两种已经发现的适合 于不锈钢第一和第二电极32、35的尺寸包括17mm乘34mm和33. 8mm乘84. 6mm。当然，其它 大小和尺寸对本领域技术人员也可能是简而易见的。
[0039] 图4示出图3所示的传感器38，其具有多个紧固件43以将电极32、35以固定的间 隔距离D耦合到一起。紧固件43应由包括但不限制于聚四氟乙烯、聚酰胺或者聚酰亚胺的 绝缘材料制成。通过导电线41、42将电极32、35耦合到电位计、电压表或者静电计36 (图 2)。在图4中，电极32、35具有两个用于适应绝缘紧固件43的开口 44。图6显示具有六个 用于适应绝缘紧固件的开口 45的备选的工作或者第二电极132、135。
[0040] 在图7中，X轴为被测液体中的硫化合物的浓度，并且Y轴为硫化合物到氧化锌微 结构上的吸收的平衡常数。如图7所示，一旦达到特定浓度，对于更高浓度，吸收平衡常数 变得相同。因此，如下面所解释，取决于在（002)面的结晶度、氧化锌微结构的形态和氧化 锌涂层的氧缺乏，可以提供对测量各种硫浓度有效的各种传感器涂层。
[0041] 如上面所指出，在（002)面的高结晶度（通常垂直于衬底或者电极）可为硫化合 物到锌微结构上的良好吸收的指征。转到图8,图示示出七个不同样品A-G的X射线衍射 谱。通过沿着X轴在34处或周围的峰表示出在（002)面中的结晶度（2 Θ标度）。因此，样 品A和C未显示或者显示最小的沿着（002)面的结晶度，而样品B和D-G显示了沿着（002) 面的结晶度，样品G显示了沿着（002)面的结晶度的最高水平。
[0042] 转到图9-12,提供不同电极和不同涂层密度的比较。在图9中，如图10所示，用氧 化锌涂覆铜电极，但是当与图12对比时，图10的氧化锌涂层相比图12的氧化锌涂层欠致 密，图12的氧化锌涂层被涂覆到不锈钢电极上。如图9所示，图10的欠致密涂层，检测处 于lppm和15ppm的低浓度的硫以及处于350ppm的更高浓度的硫。通过图9-10的涂层检 测350ppm的更高浓度相比于15ppm和lppm的浓度更快。相反，图12的致密涂层不可以检 测处于约lppm的低浓度硫化合物，但是可以检测处于15ppm、350ppm和3600ppm的更高浓 度硫化合物。图9-10的电极还以比图11-12的电极更快的速率检测15和350ppm的浓度。 因此，从图9-12,可以得出结论，更致密的氧化锌涂层对于液体中的较高硫化合物浓度更有 用，而欠致密的氧化锌涂层对于液体中的硫化合物的较低浓度的更快测量更有用。
[0043] 转到图13,示出了相同涂层的两张不同放大倍数的SEM照片。使用500°C的炉温 度和300°C的增加的歧管温度制备图13的样品。利用乙酰丙酮锌前驱体，并且在10托的压 强下，进行两个小时的涂覆工艺。氩气和氧气流量为50ml/min。此工序产生如图13所示的 氧缺乏氧化锌涂层，其具有优良的从衬底（未示出）向上突起的棒状结构并且因而具有在 (002)面中的高结晶度。通过测量，建立氧缺乏，该测量显示了图13的涂层包括3. 31wt% 的碳、17. 9wt %的氧、1. 04%的铬、4. 53 %的铁以及73. 22 %的锌。对于完全饱和的氧化锌 (ZnO)，锌和氧的比率为3. 75,或者用锌的分子量（30)除以氧的分子量（8)。因此，4. 09比 率（73. 22/17. 9)指示了氧缺乏氧化锌涂层。
[0044] 图14图示示出涂覆有图13的涂层的传感器对具有不同的硫化合物的量的液体的 响应，特别是5ppm和386ppm。图14所示的用于测量的电压表不能够进行大于15伏特的检 测，并且因而如图14所示，用于图14的传感器和电压表的组合不可以精确地检测4940ppm 的浓度。图14还示出图13的涂层的0. 7微米厚的棒状结构提供对低硫化合物检测（5ppm) 和相对高硫的化合物检测（386ppm)都适合的传感器。进一步，对于5ppm的硫化合物浓度 液体，响应时间基本上被降低至约100秒，对于386ppm的硫化合物浓度液体，响应时间基本 上被降低至约80秒。
[0045] 图18-19为用不同参数制成的氧化锌涂层的晶体结构的X射线衍射（XRD)分析的 条形图。具体地，循环时间、真空压力、鼓泡器（bubbler)温度、歧管温度设定点和腔温度都 不同。参考图18,对于标号为65、67、130和134的样品，使用相同的参数。用以制造样品 65、67、130和134的传感器涂层的参数列于下表1的第一或者左列。用于图18和19所不 的其它样品的参数也在表1中示出。
[0046] 图15-20示出用于锌微结构31的在（002)面中的高结晶度的重要性，该微结构 31被涂覆在第一电极32上。具体地，在图15中，标号67的样品呈现如图18-19所示的在 (002)面的高结晶度，该标号67的样品在图18-19中被以图示示出。图15的样品67示出 用以测量为10. 7ppm的相对低的硫化合物浓度以及在20-24ppm的范围的浓度的能力，尽管 在20ppm和24ppm之间的灵敏度有些不令人满意。图15的样品67还呈现用以检测或者测 量为48ppm以及为36ppm的相对高的硫化合物浓度的能力。36ppm的线呈现适宜量的噪声， 其是归因于可以被控制的环境因素。
[0047] 转到图16,示出了图18-19的样品23。图18-19显示样品23具有在（002)范围 的低结晶度，这导致涂覆有锌微结构的第一电极，但是其具有在10. 7ppm和20. 3ppm之间的 相对低的灵敏度。对于图17的样品106来说亦如此，如图18-19所示，该样品呈现在（002) 面中的低结晶度，因而导致在10. 7ppm和20. 3ppm硫化合物浓度之间的差灵敏度。
[0048] 表 1
[0049]
[0050]
【权利要求】
1. 一种用于液体的硫浓度测量系统，所述系统包括： 至少部分地涂覆有氧化锌的第一电极（32); 与所述第一电极（32)间隔开的第二电极（132);以及 用于测量在所述第一和第二电极（32,35)之间的电压的静电计（36)。
2. 根据权利要求1的系统，其中，所述氧化锌具有至少部分地沿（002)面取向的晶格结 构。
3. 根据权利要求1或2的系统，其中，所述第一和第二电极（32, 35)为至少基本上彼此 平行地设置并通过预定距离间隔开的板。
4. 根据权利要求3的系统，其中，所述预定距离范围为从约0. 2到约4mm。
5. 根据权利要求3的系统，其中，所述预定距离为约0. 4mm。
6. 根据权利要求1至5中任一项的系统，其中，所述参比和第一电极（32)包括至少基 本上彼此平行地设置的不锈钢板。
7. 根据权利要求1至6中任一项的系统，其中，所述第一和第二电极（32,35)被通过由 至少一种绝缘材料制造的至少一个紧固件至少基本上彼此平行地耦合在一起但却间隔开。
8. 根据权利要求7的系统，其中，所述绝缘体选自聚四氟乙烯、聚酰胺和聚酰亚胺。
9. 根据权利要求1至8中任一项的系统，其中，所述氧化锌为氧缺乏的。
10. -种用于确定液体（34)中的硫浓度的方法，所述方法包括： 将所述液体（34)暴露到硫传感器（37)，所述硫传感器（37)包括至少部分地覆盖有氧 化锌微结构（31)的第一电极（32)，所述氧化锌微结构（31)从所述第一电极（32)突起，所 述氧化锌微结构（31)中的至少一些具有沿（002)面取向的晶格结构，所述硫传感器（37) 还具有第二电极（132)，所述第二电极（132)耦合到所述第一电极（32)但却与所述第一电 极（32)间隔开并且被设置为至少基本上平行于所述第一电极（32); 监视在所述第一和第二电极（32,35)之间的电压；以及 在所述电压稳定化之后，将所述电压关联到所述液体（34)中的硫浓度。
【文档编号】G01N27/04GK104053987SQ201380005748
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月18日 优先权日:2012年1月20日
【发明者】D·A·莱布辛斯基, Y·田, O·阿尔丁, X·刘 申请人:卡特彼勒公司
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