固體氣體傳感器的應(yīng)用

固體氣體傳感器的應(yīng)用

0氣體傳感器的應(yīng)用正直因素和變化對人們的日常生活和生產(chǎn)有很大的影響。例如,大氣中含有過量一氧化碳,會使人窒息甚至昏迷死亡;可燃氣體的泄漏則會引起爆炸和火災(zāi),使人們的生命財產(chǎn)遭受巨大的損失;半導體制造行業(yè)對空氣中的濕度、二氧化碳等成分有著嚴格的要求;食品加工行業(yè)會嚴格控制工作環(huán)境中的氧氣、乙醇等氣體的含量。因此,氣體傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景。目前,隨著生命科學、人工智能、材料科學等學科的發(fā)展,氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,在大氣監(jiān)測、食品工業(yè)、汽車尾氣快速實時測定、有毒氣體檢測安全檢查和航空航天等方面,越來越多地顯示出氣體傳感器的重要作用。1氣體傳感器系統(tǒng)氣體傳感器是整個氣體檢測系統(tǒng)的核心,一般安裝在探頭內(nèi)。探頭首先通過氣體傳感器對氣體樣品進行處理,通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥和樣品抽吸等過程,然后通過傳感器將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號,實現(xiàn)相應(yīng)的功能。本文按傳感器所用氣敏材料,將其分為半導體式、固體電解質(zhì)式、高分子式和接觸燃燒式等。1.1半導體氣體傳感器氣敏特征量的檢測這類傳感器主要使用半導體作為氣敏材料。它具有靈敏度高、響應(yīng)快等特點,得到廣泛的應(yīng)用。目前,半導體氣體傳感器已經(jīng)成為產(chǎn)量最大的傳感器之一。按其檢測氣敏特征量方式的不同,可分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式半導體氣體傳感器是通過氣敏元件的電阻隨氣體含量的變化而變化來實現(xiàn)檢測。非電阻式半導體氣體傳感器是通過氣敏元件的電壓或電流隨氣體含量的變化而變化來實現(xiàn)檢測。1.2氣體濃度測量此類傳感器使用固體電解質(zhì)作為氣敏材料。其原理是當氣體通過氣敏材料時,它會產(chǎn)生離子,從而形成電動勢,測量固體電解質(zhì)的電動勢就可以得到氣體濃度。此類傳感器電導率高,靈敏度和選擇性教好,因而被廣泛應(yīng)用于石化、環(huán)保以及礦業(yè)等領(lǐng)域。1.3氣體和氣體傳感器此類傳感器根據(jù)所用材料的氣敏特性可分為:高分子電阻式氣體傳感器、濃差電池式氣體傳感器、表面波氣體傳感器和石英振子式氣體傳感器等。高分子氣體傳感器具對特定氣體靈敏度高、選擇性好、結(jié)構(gòu)簡單,而且能在常溫下使用,可以彌補其它氣體傳感器的不足。1.4氣體濃度測量此類傳感器根據(jù)所用燃燒方式可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是:氣敏材料處在通電狀態(tài),當可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下燃燒,燃燒產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫,從而使氣敏元件電阻值發(fā)生變化,通過測量電阻值變化可以得到氣體濃度。2氣體傳感器存在的問題經(jīng)過幾十年的發(fā)展,氣體傳感器在材料的合成、器件的制作工藝、器件性能的調(diào)制和工作模式設(shè)置等方面得到了很大改善。盡管如此,氣體傳感器仍然存在著一些問題。目前,氣體傳感器不僅存在著選擇性較差等問題,而且還存在著檢測氣體范圍不廣泛,氣敏材料的種類有限,痕量氣體仍無法檢測等缺陷。因此,氣體傳感器未來的研究方向主要集中在以下幾個方面:2.1高分子材料和固體材料的研究氣體傳感器的靈敏度主要取決于氣體敏感材料。因此,研制具有新物性和新效應(yīng)的新型敏感功能材料仍是人們關(guān)注的熱點。國外研究者在開發(fā)高分子材料和固體電介質(zhì)方面有較大的進展,此類材料對毒性氣體和環(huán)境氣體有良好的靈敏度和選擇性。另外,仿生研究也被運用到氣敏材料的研制中,由于昆蟲等生物在漫長的進化過程中,形成了獨特的氣體選擇敏感性,對其敏感機理進行研究,能更好地促進氣敏材料的發(fā)展。2.2氣體傳感器的發(fā)展隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,對氣體傳感器的性能提出了更高的要求:要具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、高可靠性和長壽命等。為了達到這一目標,除了研制新材料,還應(yīng)重視新型氣體傳感器的開發(fā)和設(shè)計?？筛鶕?jù)物理和化學效應(yīng)設(shè)計新型氣體傳感器,這是氣體傳感器未來發(fā)展的重要方向。近年來,石英諧振式氣體傳感器、光學式氣體傳感器和表面聲波氣體傳感器己有較大進展。仿生式氣體傳感器也正在研究中,結(jié)合仿生學和傳感器的“電子鼻”將是氣體傳感器發(fā)展的重要趨勢之一。2.3環(huán)境感知裝置現(xiàn)在的危險氣體種類越來越多,基于地鐵、民航等部門的需求開發(fā)能檢測多種氣體的傳感器已成為傳感器研究的重要方面,主要包括:(1)用于環(huán)境氣體檢測的傳感器,如臭氧傳感器;(2)用于重大工業(yè)安全保障的傳感器,如瓦斯傳感器;(3)用于公共安全的氣體傳感器,如沙林毒氣傳感器:(4)用于醫(yī)療診斷的氣體傳感器,如糖尿病。2.4耗理論傳感器低功耗傳感器是指工作溫度低于40℃時功耗小于100mw的傳感器。目前,采用納米級尺寸的氣敏材料,或者使用涂有SiO2或Si3N4的Si片可以降低傳感器功耗。3生物傳感檢測材料隨著材料學和生命科學、微電子學等學科的交叉,以及對仿生系統(tǒng)研究的關(guān)注,結(jié)合材料與器件進行綜合性能的研究就顯得非常重要。開發(fā)此類系統(tǒng)的前提是開發(fā)研制性能優(yōu)異的傳感器件: