固体气体传感器的应用

固体气体传感器的应用

0气体传感器的应用正直因素和变化对人们的日常生活和生产有很大的影响。例如,大气中含有过量一氧化碳,会使人窒息甚至昏迷死亡;可燃气体的泄漏则会引起爆炸和火灾,使人们的生命财产遭受巨大的损失;半导体制造行业对空气中的湿度、二氧化碳等成分有着严格的要求;食品加工行业会严格控制工作环境中的氧气、乙醇等气体的含量。因此,气体传感器有着广阔的应用前景。目前,随着生命科学、人工智能、材料科学等学科的发展,气体传感器的应用领域越来越广泛,在大气监测、食品工业、汽车尾气快速实时测定、有毒气体检测安全检查和航空航天等方面,越来越多地显示出气体传感器的重要作用。1气体传感器系统气体传感器是整个气体检测系统的核心,一般安装在探头内。探头首先通过气体传感器对气体样品进行处理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥和样品抽吸等过程,然后通过传感器将某种气体体积分数转化成对应电信号,实现相应的功能。本文按传感器所用气敏材料,将其分为半导体式、固体电解质式、高分子式和接触燃烧式等。1.1半导体气体传感器气敏特征量的检测这类传感器主要使用半导体作为气敏材料。它具有灵敏度高、响应快等特点,得到广泛的应用。目前,半导体气体传感器已经成为产量最大的传感器之一。按其检测气敏特征量方式的不同,可分为电阻式和非电阻式两种。电阻式半导体气体传感器是通过气敏元件的电阻随气体含量的变化而变化来实现检测。非电阻式半导体气体传感器是通过气敏元件的电压或电流随气体含量的变化而变化来实现检测。1.2气体浓度测量此类传感器使用固体电解质作为气敏材料。其原理是当气体通过气敏材料时,它会产生离子,从而形成电动势,测量固体电解质的电动势就可以得到气体浓度。此类传感器电导率高,灵敏度和选择性教好,因而被广泛应用于石化、环保以及矿业等领域。1.3气体和气体传感器此类传感器根据所用材料的气敏特性可分为:高分子电阻式气体传感器、浓差电池式气体传感器、表面波气体传感器和石英振子式气体传感器等。高分子气体传感器具对特定气体灵敏度高、选择性好、结构简单,而且能在常温下使用,可以弥补其它气体传感器的不足。1.4气体浓度测量此类传感器根据所用燃烧方式可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是:气敏材料处在通电状态,当可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下燃烧,燃烧产生的热量使电热丝升温,从而使气敏元件电阻值发生变化,通过测量电阻值变化可以得到气体浓度。2气体传感器存在的问题经过几十年的发展,气体传感器在材料的合成、器件的制作工艺、器件性能的调制和工作模式设置等方面得到了很大改善。尽管如此,气体传感器仍然存在着一些问题。目前,气体传感器不仅存在着选择性较差等问题,而且还存在着检测气体范围不广泛,气敏材料的种类有限,痕量气体仍无法检测等缺陷。因此,气体传感器未来的研究方向主要集中在以下几个方面:2.1高分子材料和固体材料的研究气体传感器的灵敏度主要取决于气体敏感材料。因此,研制具有新物性和新效应的新型敏感功能材料仍是人们关注的热点。国外研究者在开发高分子材料和固体电介质方面有较大的进展,此类材料对毒性气体和环境气体有良好的灵敏度和选择性。另外,仿生研究也被运用到气敏材料的研制中,由于昆虫等生物在漫长的进化过程中,形成了独特的气体选择敏感性,对其敏感机理进行研究,能更好地促进气敏材料的发展。2.2气体传感器的发展随着社会经济的不断发展,对气体传感器的性能提出了更高的要求:要具有高灵敏度、高稳定性、高可靠性和长寿命等。为了达到这一目标,除了研制新材料,还应重视新型气体传感器的开发和设计。可根据物理和化学效应设计新型气体传感器,这是气体传感器未来发展的重要方向。近年来,石英谐振式气体传感器、光学式气体传感器和表面声波气体传感器己有较大进展。仿生式气体传感器也正在研究中,结合仿生学和传感器的“电子鼻”将是气体传感器发展的重要趋势之一。2.3环境感知装置现在的危险气体种类越来越多,基于地铁、民航等部门的需求开发能检测多种气体的传感器已成为传感器研究的重要方面,主要包括:(1)用于环境气体检测的传感器,如臭氧传感器;(2)用于重大工业安全保障的传感器,如瓦斯传感器;(3)用于公共安全的气体传感器,如沙林毒气传感器:(4)用于医疗诊断的气体传感器,如糖尿病。2.4耗理论传感器低功耗传感器是指工作温度低于40℃时功耗小于100mw的传感器。目前,采用纳米级尺寸的气敏材料,或者使用涂有SiO2或Si3N4的Si片可以降低传感器功耗。3生物传感检测材料随着材料学和生命科学、微电子学等学科的交叉,以及对仿生系统研究的关注,结合材料与器件进行综合性能的研究就显得非常重要。开发此类系统的前提是开发研制性能优异的传感器件: