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直接热电气体传感器：设计方面和第一气体传感器 作者：Frank Rettig，Ralf Moos摘 要设计方面，该气体传感器被认为是一种新型直接热电气体传感器。这种传感器是基于一种在环境气体气氛中可以直接改变自己的物质性质塞贝克系数的材料。由于测量是一个电位，因此一个稳定的环境是非常必要的，特别是与电阻气体传感器相比。相比之下，以该电位的氧传感器，并没有提及气体是必要的，设置多层厚膜技术设计的选择。为了能准确检测塞贝克系数的材料，正弦敏感膜的调制加热器适用于不同的温度差异。最初的传感器设计是观察串扰调制电压测量气敏感层热电。这种现象的起源可以解释为温度差的热电信号和傅立叶分析气体敏感层。一个额外的电位层被认为是有足够的能力来防止这种串扰。作为第一个例子，热电氧传感器利用气体srti0.6fe0.4o3敏感材料制造。它能够证明，这直接热电气体传感器的氧的氧气灵敏度媲美电阻srti0.6fe0.4o3 -气体传感器。一种高精度传感器被发现。关键词：热电技术;塞贝克系数;热电力;等电位层;傅立叶分析1 介绍基于半导体氧化物薄膜电阻式气体传感器被认识至少有40年。该薄膜电阻变化是由于氧化还原反应中的环境气体的组成部分，同格的传感器材料。这些电阻率变化由表面的影响，在温度低于500 度，如在n型半导体二氧化锡或体积影响，大多发生在700度以上。突出的例子对于后者的是阻氧传感器用于恶劣环境利用氧气分压的依赖电子电荷载体密度一样，在二氧化钛 ，在Nb2O5 在不同SrTiO3或SrTi1xFexO3 。该传感器的信号当铁含量X是在介于0.3和0.4 时，温度是独立的。对于所有这些电阻温度传感器，有一个主要的缺点，该传感器的电阻也取决于薄膜的几何形态。因此，被测传感器的电阻是不仅一直承受生产过程中的波动，但它也强烈影响薄膜在震裂、磨损和烧结期间的操作。因此，为了这种类型的传感器的发展，长期稳定是一个重要的问题。与此相反，电位气体传感器的信号，像众所周知的空气-燃料传感器（探头）用于汽车废气，不依赖于几何 ，因为被测是一个潜在的差异，这是独立的路径。在这里，这是一个挑战去提供一个长期稳定的参考气氛 。在案件的探头的情况下，风管需要一个特殊的泵电路，是需要作此用途。由于塞贝克系数是与浓度电荷载体的半导材料直接相关的，电阻率中同时反应导致的变化，电热电压VS是以一个温度梯度的形式表现的。jonker在几十年前全面描述了塞贝克系数和电阻率（或电导率）的金属氧化物之间的关系。因此，塞贝克系数的物质也取决于周围的气体环境，但不依赖于几何图形，因此被测对象是一个潜在的差异。举例来说一个P型半导体氧化物的塞贝克系数 ，S是与缺陷电子浓度P。公式为：1在公式1里面，K是波尔兹曼常数， e是电子电荷，NV是原子价态的有效状态密度，Ah是缺陷电子（洞）的运输系数。由于氧化还原反应的反作用该洞浓度P的变化改变了塞贝克系数材料S，气体敏感层的实测热电电压VS是塞贝克系数的薄膜材料函数 s和应用温度差异T（EQ2.）。大家都知道热电电压的优点,Pt T (这里是白金),这也是实测热电电压VS的一部分, 计算该塞贝克系数的抽样VS时，温差变化T已被精确测量.这是热电气体传感器与电阻气体传感器相比不利的地方。与电阻气体传感器相比，如果是依赖于塞贝克系数材料分析物气体的浓度，这种传感器将被命名为直接热电气体传感器.对这样一个传感器， 对于这样的传感器只有极少数的刊物知道. 例如：其中更多的报道间接热电气体传感器，例如：其中惰性气体热电材料是部分涂上具有催化活跃的薄膜。然后，所产生的热量是一个放热反应的气体分析物与氧化造成温差之间的涂层和未涂层的热电部分材料具有大多非常高的塞贝克系数而且总是独立的分析物体浓度。生成温差是一个分析物气体浓度的功能和对热电电压的测量。因为磨损或中毒的催化层，直接影响温度差异，所以间接热电气体传感器容易老化。这项研究很注重设计问题，主要涉及直接热电气体传感器。因此，材料方面的选择并没不是主要焦点在这篇文章中。为了提供证据显示该传感器的工作原理，举个例子，其中一个直接热电P型氧传感器将被显示。直接热电传感器材料的排放监测报告将在随后的文件给出，其中也将直接热电气体传感器与传统的电阻式传感器进行比较。原则上，所有的材料都适合电阻传感器也可用于直接热电气体传感器。电子塞贝克系数和电阻材料受移动的电荷载体的浓度影响，电子在导带和空穴的原子价带。但是，还要考虑到这部分电导率双方的电子和空穴是正价的，而塞贝克系数的电子和空穴有不同的标志，因此，热电直接气体传感器在固定最低点有极高的灵敏度，其中电子和空穴有相同浓度。然后，电阻并不因为周围气温的变化发生明显的改变，但总的来说塞贝克系数的变化率和敏感性却非常的高。一个典型半导体氧化物的例子可以看出。此外，它比较容易测量样本范围为10米的电阻，但它非常困难的测量一个10M欧或更大的电阻中的几V的热电电压.。在这方面的贡献，SrTi1xFexO3 与 x = 0.4 (SrTi0.6Fe0.4O3) 是作为气敏材料的一个例子，这种材料被称为在高气温中的阻氧材料(700 C)和温度较低时作为电阻油气传感器的材料(450 C).2 传感器的初步设计 图1显示了热电气体传感器的初步设计。与相比电阻气体传感器，另外两个功能要素要求:一是产生温差的方法，在图1就是实现这个功能的加热器。由于它会产生温差振荡，所以它被称为调制加热器，第二个要素组成指确定确切的差。根据公式2，测量热电电压的温差用来确定塞贝克系数的气体敏感层是非常必要的。在文献中，后者常常取决于两个热电偶或者电阻温度探测器，是从两个绝对温度中计算出温差。另外一种选择，我们已选定为最初设计的热电气体传感器，这只是用来衡量温差的一种惰性气体（这里是黄金）。假定该温度剖面图以供参考和气敏材料相同（见图1 ），温度为 = T1 T2都可以根据热电电压VT计算出来，参考材料用公式（3）。Au(T) 和Pt(T) 的是塞贝克系数的黄金参考材料和黄金线索，分别的将Au(T) 和Pt(T)在薄膜上的印刷厚度与塞贝克系数进行比较，塞贝克系数的厚膜铂低于纯白金卡的1的相对误差，所以使用纯金涂表所以这个合理的。由于该薄膜是由黄金涂表而得到的塞贝克系数用来减少周期0.520.03_VK1与纯黄金相比。因为这两种材料性能Au(T) 和Pt(T)甚至塞贝克样品系数是非独立温度，被称之为绝对温度。对于管式炉这笔额外的温度数据是从热电偶的炉膛中提供的。电阻感应加热器可以用于计算传感器薄膜的平均气温。来讨论是否增设加热器来产生温差这个问题是必要的也是很困难的。它也将可能适用于一个静止的温度梯度，然后， 响应时间的气体传感器对快速气体浓度变化是有限的，由氧化还原反应动力学或由氧平衡动力学的研究材料本身。有些氧敏感材料如SrTi1xFexO3是非常快的（t90 below100 ms above 700 C）。然而，由于散播在影响，干扰电压由加热器或其他固定的电压都可以影响传感器电压导致错误结果。这是第一次基本调查的热电煤气传感器，它是更合理的变化，温差T。通过采用线性回归与实测温差T和该热电电压VS。气敏层中的M可以正确区分来自样品的热电电压和平稳电压。然而，不好的是，该系统的响应时间是有限的，以热响应时间的整气体传感器。热响应时间t63 ，前几秒为典型的厚膜气体传感器。3 初步传感器设计实验和结果热电煤气传感器如图1。由厚膜技术制造，为防止气敏反应SrTi0.6Fe0.4O3材料与氧化铝陶瓷基板另外扩散阻挡层用635米厚的商业氧化铝陶瓷基板（96 氧化铝，rubalit 708s，ceramtec ）印在屏幕上。并在1300 c高温烧烤。 所描述的信号。射击后，在1200 c ,气体敏感srti0.6fe0.4o3 - 薄膜应用于1100 c。最后，黄金参考材料（杜邦5732 ）被丝网印刷和在900 c时燃烧。该传感器被削减到一个大小50.8毫米 6.35毫米的接触白金线。该传感器被放置在一个加热器里面，加热至750 c，平衡一个确定的氧/氮混合气体如图2。时域信号的温差（图左顶部）和热电电压的气体敏感层（图下左）和频率域信号的温差（图右上）和热电电压该气敏层（图下右） 。数据： srti0.6fe0.4o3 - ，平均温度传感器750 c ，pO2 = 0.1帕。然后，测量开始。正弦激励电压与频率5兆赫被应用到调制加热器产生正弦温差汤匙以来产生的热量P是成正比的(P =U2/R),T随双频率为2 5兆赫= 10兆赫。没有相移之间应用于励磁电压和测量温差进行了观察。热截断频率（ -3 dB频率该参考电压幅度）的系统已经被确定。因此，由于加热器在刺激下截断频率没有相移，将在人们意料之中。图2显示了初步测量的结果。虽然温差计算出的热电电压几乎是正弦（左上方），该气敏层的热电电压是高度失真的（下左） 。因为这两个信号是定期的，傅立叶分析每个信号可进行的。正如所料，信号的温度差异表现与正弦频率为10兆赫。相比之下，时域信号的气体敏感层是一个叠加的两个振荡：一，预计有10兆赫和一个5兆赫。后者有振幅就是甚至大于波幅预期10 MHz的振荡。由于没有相移之间温差信号和热电电压信号的气敏层，相移结果的傅里叶分析是省略。计算塞贝克系数气体敏感材料，它可以使用10兆赫振幅由傅立叶变换结合如式4：在式4，S指塞贝克系数的气敏层和PT是塞贝克系数白金线索。10兆赫，是10兆赫振幅该气敏层的热电电压和10兆赫相应的10兆赫振幅的温差AT，这一程序导致好的结果，但有两个主要缺点。从测量技术的角度来看，振幅10兆赫振荡，从气敏层不能准确确定了，如果振幅5兆赫振荡上升，因为这是很明显的情况，为信号图。 2 。从物理的角度来看，这种方法并不会有提示这个意外工作情况的起源。 让我们假设，暖炉调制电压和气体敏感层的热电电压的串扰，并以热电电压为参考，测量温差并不受影响。然后，一个清晰的图片说明干扰五兆赫电压的结果的原因。两者的主要区别参考气敏薄膜是他们的电阻。该阻力参考时，其RR ，是在一系列数，而抵抗的气体敏感层时，自动仓储系统，是更大的，至少几十K。等效电路的传感器设置说明如（图三） 。图三的上半部显示等效电路作为直接索取图。 1 .热电性能无论是参考电影和气体敏感膜分成为一个电压源和一个电阻器。抵抗的氧化铝衬底RA的也在考虑之列。图3的下半部比上层部分更加方便，气敏层测量电压的串扰VM，M可以解释为由运用方程计算得的一个在电阻的气敏层可以计算电压下降调制电压。假设RA和RS处于类似的范围内，显着部分的调制VS被添加热电电压。V T的影响是非常小的，因此可以忽略。测量电压的类似分析VT，M的结果于式6：由于电阻的衬底RA和气敏层RS相比参考电阻RR是非常小的，这是电压下降的结果。串扰的影响，可以由两个不同办法消除。第一个是，以增加阻力的氧化铝衬底RA要么利用氧化铝的高纯度这就是少导电或增加它们之间的距离调制加热器和测量的线索。第二，更一般的做法，也可用于温度较高， 如电阻基板变得更小，是盾构调制电压和测量热电电压。为了独立采样电阻，我们采用了电位金属层之间气敏元件和调制加热器。图4显示适应的等效电路。自调制电压VM缩短了等电位层，热电电压VS的测量。M是正确的热电电压VS是几乎相同的。4 传感器设计的改进等电位层把调制加热器从参考和气敏元件区分出来，图。 5所显示的就是改进后的设计。调制加热器是安排在单独的衬底下面的一个电位层，而参考和气敏层被安排在等电位层的上面。铂分布在上部，调制加热器在下部，被印刷在一个254 m厚的96 氧化铝基底，加热散开。然后，对等电位层较低的一部分进行丝网印刷。上，下部分分别为叠放在一起，如上文所述参考和气敏感材料是适用的丝网印刷和加热。图。6显示测量信号的温差T和热电电压VS，气敏感层的M在时域上（左）和4倍振幅傅立叶分析（右） 。这两个时间域信号的出现与正弦频率同样。结果，傅立叶分析信号证实这一信号的第一印象。几乎不存在影响该调制电压对气敏阶层的热电电压。现在，已知T和VS塞贝克系数可以很容易被计算出。首先，热电电压对应着温差VS，M（T）（见图7）。VS，M和T的关系是线性的。线性回归结果在一个值为斜坡mregression和yaxis截断。然后，塞贝克系数可以用式7计算出来快速计算塞贝克系数还可以利用近似在右侧的公式（ 7 ）。在图6的气敏层的时域中抵消大约-0.4MV可以看出来。这是很容易区分这个固定的偏移和调制热电电压使用所描述的线性回归分析。根据图7，被抵消的被认为是-428V。于是用傅里叶分析公式（ 4 ）10兆赫振幅来计算塞贝克系数的气体敏感层是哟可能的。但由于双方的信号是正弦和没有相移发生， 逆分析是更方便。 5 气体传感器以验证真正传感器应用的基本原则，直接热电氧传感器配备了等电位层在一管式炉与O2/N2混合气体于750 C测量。srti0.6fe0.4o3 - 被选定为气体敏感层的材料，这P型半导体氧化氮是一个已知的材料，其阻氧传感特性 9,10 ，根据R pO-n2 显示一氧敏感性的N = 0.25。2 。缺陷化学srti1 - xfexo3 - 是非常容易理解的 35,36 。为了方便测量，调制频率选择为5 MHz 。以便维持线性公式（ 2 ）及（ 3 ）温差T不超过为20K。图。八是一种半对数代表的塞贝克系数S和氧气分压氧分压。该塞贝克系数有一个正信号，如P型控制器。52_VK1边缘是非常接近的理论预期值nln 10k/e49_VK115.，从此，氧敏感从塞贝克系数测量所得电阻测试，是因为相同的物理效应。可以看出，回归参数是相当小。最大的错误是约 5 VK的- 1和相对误差的塞贝克系数下面是 2 。置信区间为回归参数（坡度和轴拦截）是68 。6 结论与展望即使这些第一结论表明，该概念的直接热电气体传感器可以实现的。由于进一步的初步测试表明，在工业中该传感器信号是几乎不容易损耗或在几何区间波动的。这个原理可被认为具有良好的替代性，当传感器需要与电阻或能斯特型气体传感器竞争时。空气自由传感器的优点是可以在更加复杂的情况下进行补偿，但是除了完全平面和安装程序。因为塞贝克系数与相对误差仅有2 ，所以我们可以认为传感器是准确的。一个特别适合热电气体传感器的设计，起源于良好的准确性。一个额外的电位层，防止串扰的完成，这个问题很容易被解释，与适当的当量电路组成的励磁加热器电压和测量热电电压。在这个早期阶段，调节温度梯度以便区分真正的热电电压和干涉电压是非常重要的。然而，与工作平稳梯度由补偿干扰电压偏移提供是一个更精巧的设计。进一步的研究还将侧重于材料直接热电气体传感器。虽然许多气体敏感材料电阻气体传感器是适合直接热电煤气传感器，大部分气体敏感材料在电阻温度传感器中才更加适合与被接受，有良好的表现。最有前途的热电材料组（材料的内在与抵消的价电子和电子）从未被详细调查，因为当用于气体传感器的电阻，他们只展出其低敏感性。由于这些材料不导电，以及进一步改进设计要解决这一点。虽然所得的结果相当乐观，进一步改进的传感器是强制性的。温度调制频率10兆赫太小，无法用于实际应用这种传感器。因此，如果一将保留调制方法，积极面积由硅微机械（如 38 ）或陶瓷中的热点板块（例如refs. 39 热时间常数的热电气体传感器已要大幅度降低。解决方案可能会暂停。余下的另一个开放的问题已得到解决，是应用一个适当的传感器加热器，在为了使传感器就其运作温度，并作出独立的传感器气体的温度。设计在充分混合动力技术正在发展中。聚合物在传感技术中的前景M. S. Gaur, G. C. Chaturvedil and Ranjit Singh2印度斯坦科学和技术学院电子邮件： 摘 要最近聚合物在传感器的发展引起很大的兴趣，其中一个主要的原因是聚合物在传感器技术中的要求是这些有趣的材料要展示全方位的性能从绝缘体到超导体。聚合物传感器应提高其控制工业过程中的质量;照顾测量点是可行的。任何聚合物传感器由传感器层化学/物理的相互作用的分析物和传感器构成，转换成电子输出的物理效果。由于这个原因，现代传感系统的发展要求研究小组的相互作用与交流研究的经验。这些领域的研究正在从物理，化学，生物，电子与信息技术迅速发展。聚合物为基础的传感器存在一个迫切需求的医疗诊断产业，环境监测，食品行业和电讯业。主要有两个广泛领域的聚合物传感器;导电聚合物为基础的传感器和绝缘聚合物为基础的传感器。本文件突出了概述聚合物传感器和他们目前的研究趋势。1 介绍 解决问题的方案，涉及健康、环境、食品、农业、园艺、水产养殖业、国防和一般工业需要一个高精度的电平通过感应设备。目前研究人员正在展望聚合物的发展。一直对聚合物传感器的研究是出于其强大的实用性和清晰的应用洞察力。使用聚合物，其电气的导电性能理念实际上出现在1977年shrikawa和同事发现电导率103S/M，但是，聚合物已作为被动元件广泛应用于自50年代初的电子设备。导电聚合物管具有单人和双人的碳-碳交替，说明光电性能通过继续重叠的P -沿轨道聚合物的中枢和其一体化与电子整合承兑人或捐助者2。生物传感器是化学的一个子集，使用生物传感元件连接到传感器识别理化改变和换能器从特定分析物产生可测量的信号，这不是生物材料本身所必需的，但也有一些的确是。事物的原理致使传感器的分类，例如光学传感器、电气传感器和温度传感器与质量变化传感器。 导电聚合物在传感器里非常重要是因为导电聚合物本身可以进行修改，以结合蛋白分子。生物传感器代表了诊断技术中新的趋势。代谢产物，如葡萄糖，尿素，胆固醇，乳酸值及血在临床诊断的重要性。在此背景下以导电聚合物为基础的生物传感器可以被归类为安培，电位，量热，光学和电压。电荷储存在其他的绝缘聚合物中是非常重要的，因为他们广泛用于形成驻极体。术语“驻极体”认为是很多年前磁体的反面。它是一块能够保留两极分化的绝缘材料，以保留它更长时间，并能够产生计划静电场在没有外部电压源的情况下。文件中所描述的驻极体材料包括两个主要类型，即有机聚合物和无机介质。有机聚合物驻极体已经被详细的报道3，在近年来人气急升的二氧化硅被他们作为应用驻极体传感器广泛的调查4。该传感器生物参数的检测，环境中和在农业产品中的有毒元素，发达国家在20世纪80年代对更复杂的测量装置进行/绝缘聚合物和设备制造技术有了巨大进步。从过去十年目睹了聚合物的设备制造技术的发展。 二 气体传感器 该导电聚合物膜已被用在几个中等气体传感器或电子鼻作为传感 5 。那个聚合物薄膜在暴露于各种气体时可以膨胀，薄膜的膨胀导致了聚合物薄膜中电阻的变化，它可以用不同的技术测量，这个传统的化学气体传感器是特殊的，但聚合物鼻子不是具体的检测某一特定气体。然而，当它是被用在一个数组中，与每个传感器含有不同聚合物薄膜，气体和气体混合物可由格局不同的阵列反应来识别。此高分子气体传感器的特征是可以大致的检测和确定各种各样的要素等很平常的目的。 该气敏聚合物薄膜一定作为共烧陶瓷基板沉积在不同的衬底材料，玻片，硅等。在沉积聚合物溶解为溶剂混合物，其中蒸发后留下一个薄的使用微匹配技术的传感薄膜。微匹配技术已经在生产小型机械部件的一个小芯片中引进，这种微细的运动部件涉及许多不同的在微电子中使用的材料，高分子气体传感器不仅能够探测到煤气蒸汽，但也显示线性响应浓度。 三 驻极体传感器 因为低质量，高灵活性和几乎可以改变任意形状，聚合物驻极体传感器非常适合在生物医学中测量运动的应用。最早的驻极体传感器应用在光照和温度传感器各自的热电熔里，驻极体电容器麦克风（ ECM ）是压力传感器的一个成功的应用领域。高灵敏度和纾缓电磁场材料表面不同的形状和柔性，许多传感器和致动器应用电磁场传感器可使用的情况下是有需要监测的压力或武力的变化，声音或运动，电磁场产生的电动信号，就象后尘接触到机械力。虽然整个市场推广基金资产负债表的行为，作为一个传感器，稳定物体，例如家具和电器，并不影响信号，并没有设定任何限制提供。传感器信号放大及过滤由前置放大器展开内，一个标准的插件点上墙，一个中央控制单元转移前的处理资料一个中央控制单元，或直接通过一个便携式电话系统，放在一名护士的口袋作成报警单元。目前应用的EMF楼层，包括病人的监测护理及其他服务设施。未来的应用包括正常的护卫和监控应用在工业或私人楼宇。真正的挑战，是材料科学家发展电磁场的物质承受的温度高达至100 C，这在许多工业上是一个基本要求。目前在世界寄希望于废旧的驻极体高分子材料，例如在各种协议中的蜂窝式聚丙烯（ PP ）和多孔聚四氟乙烯薄膜 6 。那个聚合物驻极体作为一个传感器测量电离。 氡是一种在土壤中产生的放射性天然气，目前世界各地对行星和它的高浓度是有害健康。为了这个目的驻极体被动综合电离系统已经被商业化。 该微兼容性绝缘聚合物已揭示了在驻极体传感器的研究中新的挑战7，新兴的应用聚合物驻极体机械系统（ MEMS的）楼传感器， 影响传感器，导管尖端温度传感器，处置血液压力传感器，光纤传感器内视镜检查等。 四 生物传感器 生物传感器诊断技术这个领域发挥着非常重要的作用，目的是要产生一个成正比的浓度一个具体的化学或一套化学品的一个数字电子信号。导电聚合物展示非常重要的属性包括电器电导率和电子活动 。电聚合物是作为一个矩阵的固定化的酶8。酶通过聚合作用固定在导电聚合物上，然而，各种方法，如电化学圈套，共价的约束力，交联， 物理吸附等都是用于固定化酶活性。酶是负电荷，使静电粘接之间发生带负电荷的酶和带正电荷的导电聚合物 9 ，聚合物集成了所有必要的组件，如酶， 调停和电极。chaubey等人报告的物理固定化的酶对一些进行聚合物 10 。许多酶在电化学沉积可固定成导电聚合物薄膜就适当的电极。第一次葡萄糖氧化固定化在聚吡咯膜用此方法 11 。 电薄膜的导电聚合物是为了方便基体对酶的固化，传递者在酶的聚合作用同时被固定，但他们也可以与前单体聚合。在制作微传感器在筹备多层设备时，这很好的控制固定化电化学方法的程序是具有十分重要的意义的。示意图的固定化方法用于生物传感器建设是显示在图. 4 。 图2表明，一种生物催化剂以直接约束力，转化 ，放大，存储和显示了信号所以被称为传感器。信号可能产生于化学作用，热效应的压电效应和表面声波。最实际的传感器是安培和potenrtiometric。其他传感器电导，量热，压电及光学， 生物传感器都是在基础传感器上分类的。在外界，生物传感器被误认为疾病诊断和遗传性疾病和危险化学品。疾病的产生是由于紊乱，血糖， 果糖，乳酸，乙醇，胆固醇，尿素和甲状腺素等。DNA的传感器是用来为检测各种遗传性疾病。例如， 检测血液中的葡萄糖在治疗糖尿病那样的疾病时是非常重要的治疗手段。因