阅读说明：本技术 一种具有尾气感测装置的船舶机构 (Ship mechanism with tail gas sensing device ) 是由 马强 刘刚 郭俊杰 徐海东 王明雨 孙庶业 李晓 侯甲彬 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：目前船舶尾气的排放标准朝着规范化,严格化方向发展,但是检测设备体积大,检测工作量大、不方便,迫切需要改变这一现状,本发明的尾气感测装置具有纳米感测元件,纳米感测元件能够对船舶尾气中的甲烷等污染气体进行感测,其中,纳米感测元件包含氧化锌纳米柱,不仅检测方便,成本低廉,同时数值采集准确,稳定可靠,制作成本低,作用显著增强,也大大提高了整体的高效性和操作的可靠性。(The tail gas sensing device is provided with a nano sensing element, the nano sensing element can sense polluted gases such as methane in the tail gas of the ship, and the nano sensing element comprises a zinc oxide nano column, so that the tail gas sensing device is convenient to detect, low in cost, accurate in numerical value acquisition, stable and reliable, low in manufacturing cost, remarkably enhanced in effect, and greatly improved in overall efficiency and operation reliability.)

一种具有尾气感测装置的船舶机构

技术领域

本发明涉及船舶环保领域，更具体地讲，涉及一种具有尾气感测装置的船舶机构。

背景技术

很多情况下，船舶废气直接排放，对众多港口城市和内河区域的大气质量造成了严重的不良影响。船用柴油机排放具有流动性大、扩散性大、持续时间长的特点，其排放的主要污染物有氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、碳氯化合物以及微粒等。此化，船舶废气中含有数十种强致癌性的化学物质，沿海居民的健康受到环境污染的影响。

想要治理河道等水域污染，首先要做的工作就是对排放物的准确检测。对于既能够满足当下的排放法规和检测法规，又能够快捷检测汽车尾气排放的设备开发势在必行。然而当下对于船舶尾气感测装置较为繁琐复杂，成本很高，因此急需一种具有尾气感测装置的船舶机构，以满足实际的需要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，本发明公开了具有尾气感测装置的船舶机构，船舶机构包括船壳、船体骨架、甲板、船舱、上层建筑。

船舶机构还包括尾气感测装置，尾气感测装置具有纳米感测元件，纳米感测元件能够对船舶尾气中的污染气体进行感测，其中，纳米感测元件包含氧化锌纳米柱，氧化锌纳米柱由如下工艺制备而成：

第一步，裁切基板，

第二步，黄光制程；

第三步，磁控溅射；

第四步，去光阻剂；

第五步，水热合成。

进一步的，基板为188μm厚的PET薄膜，裁剪为1.5cmx1.5cm大小，撕开保护膜使用，不需清洗。

进一步的，黄光制程中，首先，利用旋转涂布机将正光阻剂均匀涂布在基板表面，分别先后进行两个转速的涂布，其中，第一转速为500rpm，旋涂时间10秒钟，第二转速为1300rpm，旋涂时间20秒钟；然后，软烤90秒，使正光阻剂成为固态薄膜并附着于基板上；然后，利用曝光机照射已有光阻剂的基板，使光罩上的图样转至基板上；最后，使用稀释后的显影剂去除多余光阻，形成第一坯件。

进一步的，磁控溅射过程中，利用磁控射频溅射系统于室温下溅镀一层180nm厚的ZnO薄膜于第一坯件上的光阻上，形成第二坯件，其中，磁控射频溅射系统包括真空室，真空室内设有旋转台，坯件可置放于旋转台上并可随旋转台旋转，旋转台上方设有靶材组件，靶材组件上设有ZnO靶，射频仪器能够向的靶材组件提供RF能量，真空室的上部还通过管路通道与Ar气瓶相联通，管路通道上还设有流量控制阀。

进一步的，去光阻剂过程中，将第二坯件置入丙酮中静候，等待第二坯件的光阻的颜色完全消失而成为透明的ZnO薄膜后，使用DI water洗净后利用氮***吹干，形成第三坯件。

进一步的，水热合成过程中，将第三坯件置入水热反应压力釜中，倒入20%的六亚甲基四胺20ml和20%的二水合醋酸锌20 ml。在 95℃下反应5.5小时后自然冷却降温，形成氧化锌纳米柱。

本发明还公开了一种气体感测元件的光测量装置，气体感测元件包含氧化锌纳米柱，氧化锌纳米柱为上述的工艺制备而成，光测量系统包括量测铝盒，量测铝盒内设有量测基座，量测铝盒上部设有透光窗口，UV/LED光源能够通过透光窗口而照射于量测基座，光测量系统还包括量测电表，量测电表与电脑连接。

本发明还公开了一种气体感测元件的气体测量装置，气体感测元件包括包含氧化锌纳米柱，氧化锌纳米柱为上述的工艺制备而成，气体测量装置包括量测腔室，量测腔室内设有量测底座，量测腔室分别通过测量管路与空气钢瓶和待测气体钢瓶连接，测量管路上还设有流量控制阀，气体测量装置还包括量测电表，量测电表与电脑连接，气体测量装置还包括UV光源架，UV光源架设于透明玻璃盖外并用支架固定，其中，量测腔室由透明玻璃盖组成，透明玻璃盖直径约为13 cm。

目前船舶尾气的排放标准朝着规范化，严格化方向发展，但是检测设备体积大，检测工作量大、不方便。迫切需要改变这一现状，本发明的尾气感测装置具有纳米感测元件，纳米感测元件能够对船舶尾气中的甲烷等污染气体进行感测，其中，纳米感测元件包含氧化锌纳米柱，不仅检测方便，成本低廉，同时数值采集准确，稳定可靠，制作成本低，作用显著增强，也大大提高了整体的高效性和操作的可靠性。

附图说明

图1为本发明氧化锌纳米柱制备装置示意图。

图2为本发明氧化锌纳米柱制备流程示意图。

图3为本发明磁控射频溅射系统示意图。

图4为本发明气体感测元件的光测量装置示意图。

图5为本发明气体感测元件的气体测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。随着工业的快速发展，近年来空气污染问题已经逐渐的被大众所重视其严重性。造成空气污染的种类繁多，可能是气体、悬浮微粒等等，我们所谓的空气污染物通常会对人体或生态环境造成负面。尤其对于船舶而言更是如此，而且也极易导致人们忽视船舶尾气的影响。

气体传感器的应用领域相当广泛，近年来因环境污染趋增及健康意识抬头，不仅在市场上的需求持续增加，研究的领域上也一直有许多领域人员为了更快、更灵敏、可以同时侦测多种气体的气体感测器而不断的投入努力。其中以金属氧化物(MOS)为材料制作的气体传感器自从问世起就因其灵敏度高、材料成本低、组件制备较容易、体积小、耐热性高等特性被广泛的应用。近年来由于纳米尺寸结构广泛的被研究，气体传感器的灵敏度随着大幅增加的体表面积也同时有着显著的提升。本发明利用黄光技术配合纳米柱本身优良的气体通透性及高表面积对体积比，较一般旧式薄膜型气体传感器大幅地增加了气体可吸附的表面积而达到高灵敏度的目的。

随着近年纳米结构被广泛研究，纳米结构的ZnO被证实因为拥有更大的表面积对体积比，灵敏度有着显著的提升。ZnO纳米柱、纳米线等等纳米结构因其制作方法和结构各不相同，对一氧化氮、二氧化氮、甲烷、丙酮、一氧化碳、氢气、水气气体各有不同的灵敏度。

金属氧化物半导体材料能依其主要载子分成N型(n-type)、P 型 (p-type)，N型半导体如SnO₂、TiO₂、ZnO主要载子为电子，由传导带上的电子进行导电，P型半导体如GaN、PbS主要载子为电洞，由电洞的移动进行导电。当气体在半导体表面产生吸附和脱附时，材料本身的电阻改变而能达到感测的目的。待测气体分为氧化性气体及还原性气体，根据半导体主要载子的不同及气体的不同，电阻的改变方向有所不同。

当N型氧化物型半导体暴露于氧化型气体中，氧化型气体的吸附会使半导体表面电子被捕捉而无法移动，导致电阻上升。P型氧化物型半导体则是相反，因表面电子被捕捉，电洞浓度增加，导致电阻下降。

本发明的氧化锌纳米柱气体传感器之制作流程如图1-2所示。具体有五个步骤，分别为第一步，裁切基板，第二步，黄光制程；第三步，磁控溅射；第四步，去光阻剂；第五步，水热合成。

本发明的基板使用188μm厚的PET薄膜裁剪为1.5cmx1.5cm大小，撕开保护膜使用，不需清洗。

本发明的黄光制程分为三个部分，依序为光阻涂布、曝光及显影。

首先，利用旋转涂布机将正光阻剂(EPG510)均匀涂布在基板表面，分别先后进行两个转速的涂布，其中，第一转速为500rpm，旋涂时间10秒钟，第二转速为1300rpm，旋涂时间20秒钟；然后，软烤90秒，使正光阻剂成为固态薄膜并附着于基板上；然后，利用曝光机照射已有光阻剂的基板，使光罩上的图样转至基板上；最后，使用稀释后的显影剂(EPD48)去除多余光阻，形成第一坯件。

磁控溅射过程中，利用磁控射频溅射系统于室温下溅镀一层180nm厚的ZnO薄膜于坯件上的光阻上，形成第二坯件，其中，如附图2所示，磁控射频溅射系统包括真空室，真空室内设有旋转台，坯件可置放于旋转台上并可随旋转台旋转，旋转台上方设有靶材组件，靶材组件上设有ZnO靶，射频仪器能够向的靶材组件提供RF能量，真空室的上部还通过管路通道与Ar气瓶相联通，管路通道上还设有流量控制阀。

去光阻剂过程中，将第二坯件置入丙酮中静候，等待第二坯件的光阻的颜色完全消失而成为透明的ZnO薄膜后，使用DI water洗净后利用氮***吹干，形成第三坯件。

水热合成过程中，将第三坯件置入水热反应压力釜中，倒入20%的六亚甲基四胺20ml和20%的二水合醋酸锌20 ml。在 95℃下反应5.5小时后自然冷却降温，形成氧化锌纳米柱。

本发明的光测量系统包括量测铝盒，量测铝盒内设有量测基座，量测铝盒上部设有透光窗口，UV/LED光源能够通过透光窗口而照射于量测基座，光测量系统还包括量测电表，量测电表与电脑连接。UV波长为365nm， 四种颜色的LED灯光波长分别为：460nm(蓝光)、540nm(绿光)、592nm(橘光)、630nm(红光)。

气体感测元件的光测量装置在使用时，将氧化锌纳米柱放置于电路板上，再使用导电银胶将氧化锌纳米柱连接上电极，并将连接好的电路板固定于量测基座上，然后将连接好的电路板电路连接至电表上，电路板上的氧化锌纳米柱与光源的距离为1.3cm，量测铝盒在量测光期间为密闭状态。

本发明的气体感测元件包括包含氧化锌纳米柱，氧化锌纳米柱为上述的工艺制备而成，气体测量装置包括量测腔室，量测腔室内设有量测底座，量测腔室分别通过测量管路与空气钢瓶和待测气体钢瓶连接，测量管路上还设有流量控制阀，气体测量装置还包括量测电表，量测电表与电脑连接，气体测量装置还包括UV光源架，UV光源架设于透明玻璃盖外并用支架固定，其中，量测腔室由透明玻璃盖组成，透明玻璃盖直径约为13 cm。

气体感测元件的气体测量装置的使用方法如下：将氧化锌纳米柱放置于电路板上，再使用导电银胶将氧化锌纳米柱连接上电极，并将连接好的电路板固定于量测底座中央，然后将电路板电路连接至电表上，将量测底座置于透明玻璃盖中央，空气钢瓶与待测气体钢瓶先进入流量控制阀控制各自的流量以便计算气体浓度，再汇入同一条管线流入透明玻璃盖。

下面，本发明将制作的氧化锌纳米柱照射UV=光(365nm) 及四种颜色的 LED光源：蓝光(460nm)、绿光(540nm)、橘光 (592nm)、红光(630nm)，结果如下。

其中，氧化锌纳米柱照射 UV光后，电阻值由 18.6MΩ 降至615kΩ，相较之下，纳米柱虽然没有经过退火，但是在制造中有经过在95℃持续5.5小时的水热法，在这样的相对低温下长时间制备，电阻值在常温下测量相当稳定。

在蓝色LED光下，电阻值由19.2 MΩ下降至9.24 MΩ，在绿色LED光下，电阻值由18.3MΩ下降至16.5MΩ，在橘光LED和红光LED的照射下，电阻值几乎没有改变。经过水热法制备的氧化锌纳米柱几乎没有中间能隙存在，因此不会对橘光LED和红光LED产生光响应。

下面，本发明将将在无UV光及有UV光的情况下测量制作的氧化锌纳米柱对气体的反应，结果如下。

氧化锌纳米柱在常温无UV光的状况下测量，在180秒至360秒通入4000ppm的H₂后，电阻值并没有明显的改变。

氧化锌纳米柱在常温无UV光的状况下测量，在200秒入500ppm的CH4后，电阻值逐渐降低，在400秒关闭气体之后，电阻值相当缓慢的回到起始点。

氧化锌纳米柱在常温有UV光的状况下测量，在550秒到720秒、920秒到1120秒、及1310秒到1500秒通入4000ppm的H2后，电阻值有些微的下降、逐渐饱和，且在气体关闭后能逐渐回复至原先的电阻值。

氧化锌纳米柱在常温有UV光的状况下测量，在110秒到410秒、850秒到1250秒、1650秒到2050秒通入500ppm的CH4后，电阻值大幅下降、逐渐饱和，且在气体关闭后电阻值能回复至原先电阻。另外，在照射UV光的情况下关闭气体后回复的电阻值不太相同，推测应是有UV光照射时，水气等等气体也会较容易吸附至样品表面。

氧化锌纳米柱在常温有UV光的状况下测量，在100秒到300秒、520秒到710秒、910秒到1100通入300ppm的CH4后，电阻值下降、逐渐饱和。在一样的电阻尺度下，响应相比通入500ppm的CH4小。

氧化锌纳米柱在常温有UV光的状况下测量，在约100秒到300秒、510秒到660秒、及960秒到1120秒通入CH4后，电阻值下降、逐渐饱和。在一样的电阻尺度下，可看出响应相比通入500ppm和300ppm的CH4更小。

本发明成功制备的氧化锌纳米柱在PET基板上，不会导致PET基板的断裂变形。与同样生长在PET基板上不经过退火的氧化锌薄膜相较之下，水热法95℃持续5.5小时制备的氧化锌纳米柱在常温下测量电阻值相当稳定。

氧化锌纳米柱对UV光的光响应值高达312，且不对橘光及红光反应，经过长时间水热法制备的氧化锌中间能隙的存在极少。氧化锌纳米柱在常温下测量CH4气体，能在常温下配合UV光的照射测量低至100ppm的CH4气体，且气体响应与CH4气体浓度成正相关。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。