С повышением уровня жизни людей и усилением внимания к охране окружающей среды выдвигаются более высокие требования к обнаружению различных токсичных и вредных газов, мониторингу загрязнения воздуха и промышленных газов, а также тестированию качества продуктов питания и продуктов питания. живая среда.Датчики газа как одна из сенсорных или сигнальных частей имеют важное значение. Датчики газа могут обнаруживать и анализировать различные газы в режиме реального времени, обладая преимуществами высокой чувствительности и короткого времени отклика; в сочетании с быстрым развитием микроэлектроники, технологий микрообработки, автоматизации и интеллектуальных технологий датчики газа стали меньше и дешевле, их стало проще в использовании, поэтому он широко используется в военной сфере, медицине, транспорте, охране окружающей среды, проверке качества, борьбе с подделками, обустройстве дома и других областях. Однако коммерчески доступные в настоящее время датчики газа все еще имеют некоторые проблемы, такие как плохая селективность и стабильность. Дальнейшему совершенствованию различных показателей работы газовых сенсоров, разработке новых газочувствительных материалов и новых газовых сенсоров уделяется все больше внимания, а страны мира вкладывают значительные средства в исследования в этой области.
Существует много типов газовых датчиков с различными классификационными стандартами.В зависимости от газочувствительного материала датчика, механизма и эффекта взаимодействия между газочувствительным материалом и газом его можно в основном разделить на полупроводниковые газовые датчики, датчики газа с твердым электролитом, контактные датчики газа сгорания, оптический датчик газа, датчик газа с кварцевым генератором, датчик газа на поверхностной акустической волне и т. д.
Какие бывают датчики газа?
Какие бывают датчики газа?
1. Полупроводниковый газовый датчик
Полупроводниковые газовые датчики делятся на металлооксидные полупроводниковые газовые датчики и органические полупроводниковые газовые датчики.
1.1 Металлооксидно-полупроводниковый газовый датчик
С 1960-х годов металлооксидно-полупроводниковые датчики газа составляют половину датчиков газа из-за их высокой чувствительности и быстрого реагирования. В первоначальных датчиках газа в качестве газочувствительных материалов в основном использовались SnO2 и ZnO. В последние годы были исследованы и разработаны некоторые новые материалы. В дополнение к небольшому количеству материалов из одиночных оксидов металлов, таких как WO3, In2O3, TiO2, Al2O3, и т. д., горячие точки развития в основном сосредоточены в композитных оксидах металлов и смешанных оксидах металлов [ ], как показано в таблице 1. Металлооксидно-полупроводниковые датчики можно разделить на два типа: резистивные и нерезистивные.
1.1.1 Резистивный металлоксид-полупроводниковый датчик
SnO2 и ZnO являются типичными представителями газочувствительных материалов для резистивных металлооксидных полупроводниковых датчиков. Они обладают двойным эффектом адсорбции и катализа и относятся к поверхностно-контролируемым типам. Однако рабочая температура полупроводниковых датчиков этого типа относительно высока, около 200°С. до 500°С. С целью дальнейшего повышения их чувствительности и снижения рабочей температуры в маточную смесь обычно добавляют некоторые благородные металлы (например, Ag, Au, Pb и др.), активаторы и клеящие вещества Al2O3, SiO2, ZrO2 и др. []. Например, чувствительность газового сенсора ZrO2-SnO2 с добавлением 1% ZrO2 к 1×10-5 газа H2S примерно в 50 раз выше, чем у компонентов без ZrO2 []; добавление Pb к SnO2 может значительно улучшить время отклика. Поверхностный слой легирован двухслойной пленкой SnO2/SnO2:Pt, приготовленной по технологии порошкового напыления для определения концентрации CO. Установлено, что рабочая температура может быть снижена, и она показывает высокую чувствительность в диапазоне температур от комнатной температуры до 200°С. Селективность газового сенсора также можно улучшить за счет добавления различных добавок: добавление Ag к ZnO может улучшить чувствительность к горючим газам, добавление V2O5 может сделать его более чувствительным к фреону, а добавление Ga2O3 может улучшить чувствительность к алканам []. Серия Fe2O3 также относится к этому типу газовых сенсоров.Наноразмерный Fe2O3, синтезированный золь-гель методом и методом химического осаждения из паровой фазы, обладает хорошей чувствительностью к CH4, H2, C2H5OH []; добавление небольшого количества SO42- и четырехвалентного к Fe2O3 ионам металлов, таких как поскольку Sn4+ улучшают чувствительность, подавляя рост их зерен []. В последние годы технология тонких пленок и технология интегральных схем использовались для интеграции нагревательных элементов, датчиков температуры, встречно-штыревых электродов и газочувствительных пленок на кремниевых подложках для создания газовых сенсоров, которые намного выше обычных поликристаллических пленок и имеют простую структуру. , прост в изготовлении, и в зависимости от измеряемого газа можно выбирать различные чувствительные пленки, что делает этот тип датчика новым типом полупроводникового датчика газа с большими перспективами развития [ ]. Однако газовые датчики обычно подвергаются воздействию атмосферы, а значение напряжения нагревательного элемента определяет рабочую температуру газового датчика.Поэтому вопрос о том, как устранить влияние факторов окружающей среды, таких как влажность и температура, на измерения, еще не решен.
1.1.2 Нерезистивный металлоксид-полупроводниковый датчик газа
Нерезистивные металлооксидные полупроводниковые датчики газа в основном включают в себя МОП-датчики газа с полевой трубкой и диодные датчики газа.
Чувствительный к водороду Pd-затвор MOSEFT — это самый ранний разработанный каталитический полевой газовый датчик с металлическим затвором.Когда водород взаимодействует с Pd, пороговое напряжение полевого транзистора будет меняться в зависимости от концентрации водорода для обнаружения водорода. Датчик газа с такой структурой имеет чувствительность к водороду на уровне ppm и очень хорошую селективность, но проблема долгосрочной стабильности еще не решена должным образом. Кроме того, датчик газа с полевой трубкой MOSFET с Pd-затвором также может обнаруживать некоторые газы, которые легко разлагаются на водород, такие как NH3, H2S и т. д. []. Используя YSZ в качестве затвора полевого МОП-транзистора и Pt в качестве металлического затвора, можно изготовить чувствительный к кислороду газовый датчик полевой трубки. А. Фукс и др. использовали газовый датчик с полевой трубкой и KI-чувствительной пленкой для очень хорошего обнаружения O3 с хорошим разрешением в диапазоне концентраций от 20 до 80 частей на миллиард []. Путем удаления металлического затвора полевого МОП-транзистора и использования нанопленки La0,7Sr0,3FeO3 в качестве затвора был успешно реализован датчик газа OSFET микронного размера, работающий при комнатной температуре, для обнаружения газообразного этанола.
Принцип действия газового датчика транзисторного типа заключается в том, что газ, адсорбированный на границе раздела металл-полупроводник, вызывает изменение ширины запрещенной зоны полупроводника или работы выхода металла, а о его концентрации судят по изменению выпрямительных характеристик полупроводник. Тонкий слой палладия напыляют на сульфид кадмия, легированный индием, чтобы сформировать диодный датчик палладий/сульфид кадмия, который можно использовать для обнаружения газообразного водорода. Кроме того, оксид палладия/титана, оксид палладия/цинка и оксид платины/титана также можно превратить в чувствительные к диодам компоненты для обнаружения водорода.
1.2 Органический полупроводниковый газовый датчик
Органические полупроводниковые материалы пользуются все большей популярностью у исследователей в стране и за рубежом из-за их простоты эксплуатации, простоты процесса, хорошей селективности при комнатной температуре, низкой цены, простоты сочетания с датчиками микроструктуры, а также способности проектировать и синтезировать молекулы в соответствии с функциональными потребностями. Обрати внимание на.
Фталоцианиновые полимеры относятся к органическим полупроводниковым чувствительным материалам, их кольцевая структура создает взаимную электронную связь между молекулами адсорбированного газа и органическими полупроводниками. Различные фталоцианиновые полимеры можно использовать для изготовления тонкопленочных датчиков газа в устройствах обнаружения с использованием таких технологий изготовления пленок, как технология вакуумной сублимации, технология LB-пленки, технология центрифугирования и технология самоорганизующихся пленок. Их используют совместно с технологией компьютерного распознавания образов. На основе МОП-транзистора Се Дань и другие использовали комплекс дифталоцианина протактиния с редкоземельным металлическим элементом сэндвич-типа Pr[Pc(OC8H17)8]2 в качестве газочувствительного материала для замены положения зазора в среднем затворе, основываясь на принципе Используя технологию супрамолекулярной пленки LB, на полевой трубке с потоком заряда была нарисована многослойная пленка LB, состоящая из Pr[Pc(OC8H17)8]2 и стеарилового спирта (ОА), смешанных в соотношении 1:3 ( С учетом вышеизложенного создается новый тип пленочного датчика газа NO2 LB со структурой CFT, чувствительность обнаружения NO2 при комнатной температуре может достигать 5 частей на миллион []. Кроме того, полипиррол, антрацен, перилен, β-каротин и др. [] также использовались в последние годы в качестве органических полупроводниковых газочувствительных материалов и привлекли внимание людей.
2. Датчик газа с твердым электролитом.
Твердый электролит относится к типу твердого материала, проводимость которого зависит от ионов или протонов. Принцип работы датчика газа с твердым электролитом заключается в том, что чувствительный материал генерирует ионы в определенной атмосфере.Миграция и проводимость ионов образуют разность потенциалов, а концентрация газа измеряется на основе разности потенциалов. Поскольку этот тип датчика обладает высокой проводимостью, хорошей чувствительностью и селективностью при определенной температуре, он широко используется в различных областях, таких как металлургия и нефтехимия, энергетика и защита окружающей среды, а также аэрокосмический транспорт.
Датчик кислорода ZrO2 является наиболее типичным датчиком газа с твердым электролитом. В качестве проводника ионов кислорода обычно используется ZrO2, стабилизированный CaO, MgO и Y2O3. Чувствительность очень высокая. Нижний предел измерения датчика ZrO2 (CaO) при 1000°C составляет 10-13 Па кислорода. Он быстро реагирует и может достигать отслеживание и непрерывное обнаружение []. Особенностью датчика этого типа является то, что ионы, образующиеся в результате адсорбции измеряемого газа в газочувствительном материале, такие же, как и подвижные ионы в электролите, и принцип прост.
В настоящее время горячие точки в исследованиях газовых сенсоров с твердым электролитом в основном сосредоточены на следующих двух категориях: одна - это сенсор, в котором ионы, полученные из газочувствительного материала, адсорбирующего измеряемый газ, отличаются от мобильных ионов в электролите. другой представляет собой датчик, в котором измеряемый газ адсорбируется газочувствительным материалом. Датчик, в котором производные ионы отличаются как от мобильных ионов в электролите, так и от неподвижных ионов в материале. Эти два типа принципов относительно сложны, и некоторые принципы еще не получили разумного объяснения. Композитный электрод вспомогательной фазы NASICON и BaCO3-LiCO3, синтезированный золь-гель-методом, был превращен в небольшой твердоэлектролитный газовый датчик CO2. Было обнаружено, что устройство показало хорошую линейную чувствительность к CO2, быстрое восстановление отклика и сильную помехоустойчивость. .[]; Используя NASICON в качестве твердого электролита и NaNO2 в качестве вспомогательного электрода, обнаружено, что датчик гораздо более чувствителен к NO2 и NO, чем к NaNO2 []; От K2SO4, Na2SO4, Li2SO4, AgSO4 к NaSiCON, Na-β ( β) -Al2O3 и Ag-β-Al2O3 используются в качестве датчиков газа SO2 []; твердые электролиты NH-CaCO3 и YST-Au-WO3 используются в качестве датчиков газа NH3 и H2S соответственно []; В этой лаборатории используются монокристаллические и поликристаллические , LaF3 (CaF2) был использован в твердоэлектролитных сенсорах для H2O, H2 и SO2, и было обнаружено, что чувствительность и селективность были высокими []. Органические твердые электролиты привлекли интерес многих исследователей благодаря легкому пленкообразованию, хорошей эластичности, небольшому весу, легкому формованию на больших площадях, простоте приготовления и легкой доступности сырья. Обычные органические твердые электролиты включают полиэтиленоксид (ПЭО), уранилгидрофосфат, полимер Нафион и т. д. [], которые часто используются в качестве проводников ионов водорода (протонная проводимость) для датчиков твердого электролита H2 и водяного пара. Датчики с органогелевым электролитом использовались для обнаружения в воздухе вредных газов, таких как H2S и PH3.
3. Контактный датчик дымовых газов.
Принцип работы контактного датчика дымовых газов следующий: когда газочувствительный материал находится под напряжением, температура составляет от 300 до 600 ° C. Когда горючий газ окисляется и горит или окисляется и горит под действием катализатора, горение тепло дополнительно нагревает электрический нагревательный провод, тем самым вызывая изменение значения его сопротивления, и изменение сопротивления измеряется для измерения концентрации газа []. Преимуществами газовых датчиков этого типа являются хорошая селективность по газу, незначительное влияние на температуру и влажность, быстрый отклик.Он широко используется на нефтехимических заводах, в шахтах, в ванных комнатах, на кухнях и т. д. В настоящее время практические контактные датчики дымовых газов включают продукты для обнаружения H2, LPG и CH4, а затем продукты для обнаружения паров углеводородов и органических растворителей []. Однако они имеют низкую чувствительность к горючим газам низкой концентрации, а чувствительные компоненты серьезно повреждаются катализатором.
4. Оптический датчик газа
Оптические датчики газа в основном относятся к спектрально-абсорбционному типу. Ее принцип таков: разные газовые вещества имеют разные спектры поглощения из-за разной молекулярной структуры, разной концентрации и различий в распределении энергии. Это определяет селективность, избирательность и уникальную достоверность концентрации газа спектрально-абсорбционного датчика газа. Если этот спектр можно измерить, газ можно будет проанализировать качественно и количественно. В настоящее время разработаны различные онлайновые инфракрасные абсорбционные газовые датчики, такие как датчики с переключением жидкости и датчики для прямого измерения процесса. В автомобильных выхлопах концентрация CO, CO2 и углеводородов, а также вредных газов SO2 и NO2 в промышленных котлах сгорания может быть обнаружена с помощью газовых датчиков спектрального поглощения.
Оптические датчики газа также включают флуоресцентный тип, волоконно-оптический химический материал и другие типы. Молекулы газа находятся в возбужденном состоянии после облучения возбуждающим светом и излучают флуоресценцию при возвращении в основное состояние. Поскольку интенсивность флуоресценции имеет линейную зависимость от концентрации измеряемого газа, датчик флуоресцентного газа может измерять концентрацию газа путем измерения интенсивности флуоресценции. Датчик газа химического материала оптического волокна представляет собой покрытие слоя специального химического материала на поверхности или торцевой поверхности оптического волокна.Когда этот материал вступает в контакт с одним или несколькими газами, это вызывает изменение степени связи, коэффициента отражения, эффективного показателя преломления. и многие другие свойства оптического волокна.Изменения параметров, которые можно обнаружить с помощью модуляции интенсивности и других методов. Например, палладиевая пленка, нанесенная на оптическое волокно, будет расширяться под воздействием H2. Расширение пленки, вызванное газом, можно измерить путем измерения интенсивности выходного света интерферометра.
5. Кварцевый резонансный газовый датчик.
Кварцевый резонансный газовый датчик состоит из трех частей: кварцевой подложки, золотого электрода и кронштейна. Электрод покрыт газочувствительной пленкой.При адсорбции измеряемых молекул газа на газочувствительной пленке масса чувствительной пленки увеличивается, тем самым уменьшая резонансную частоту кварцевого генератора. Изменение резонансной частоты пропорционально концентрации измеряемого газа. Датчик имеет простую конструкцию и высокую чувствительность, однако в нем можно использовать только газочувствительные мембраны, работающие при комнатной температуре. В качестве чувствительной пленки был выбран полиэтиленимин (PEI), и было обнаружено, что датчик имеет очень хорошие газочувствительные характеристики и селективность по CO2.При тестировании на газ CO2 объемом 500×10-6 время отклика составило 5с и время восстановления составило 5 сек.Время 2с. Полимеры фталоцианина также часто используются для изготовления кварцевых резонансных газовых датчиков. В настоящее время разработаны кварцевые резонансные газовые датчики, которые могут измерять NH3, SO2, HCl, H2S и пары уксусной кислоты.
6. Датчик газа на поверхностных акустических волнах.
Датчики газа на поверхностных акустических волнах имеют короткую историю развития и их можно назвать восходящей звездой. Несмотря на то, что в практическом применении все еще существует много проблем, оно соответствует направлению цифровизации, интеграции и высокой точности сигнальных систем, поэтому привлекло большое внимание во многих странах мира. На скорость распространения поверхностных акустических волн влияет множество факторов, таких как: температура окружающей среды, давление, электромагнитное поле, свойства газа, качество твердой среды, проводимость и т. д. При выборе подходящей чувствительной мембраны один из многих влияющих факторов играет доминирующую роль. При доминирующей роли массы частота колебаний поверхностных акустических волн прямо пропорциональна плотности газочувствительной мембраны; при доминирующей роли проводимости частота колебаний поверхностных акустических волн обратно пропорциональна квадрату проводимости газочувствительная мембрана. При проектировании обычно используется двухканальная структура линии задержки для компенсации изменений температуры и давления окружающей среды. В большинстве изученных в настоящее время газовых датчиков в качестве газочувствительных материалов используются органические пленки, в основном полиизобутилен, фторполиол и т. д., которые используются для обнаружения органических паров, таких как стирол и толуол; пленки из фталоцианинового полимера используются для обнаружения таких газов, как NO2, NH3. , CO, SO2 и т. д.
7. Направление развития газовых датчиков
Исследования газовых сенсоров носят широкомасштабный и сложный характер и представляют собой междисциплинарные исследования. Для эффективного улучшения показателей производительности датчиков во всех аспектах требуется совместное сотрудничество исследователей в различных дисциплинах и областях. Разработка газочувствительных материалов и рациональное проектирование сенсорных структур на различных принципах всегда привлекали внимание исследователей. Разработка датчиков газа в будущем также будет сосредоточена на этих двух аспектах. Конкретная производительность следующая:
Дальнейшее развитие газочувствительных материалов требует, с одной стороны, поиска новых добавок для дальнейшего улучшения характеристик разрабатываемых газочувствительных материалов; с другой стороны, полного использования новых технологий подготовки материалов, таких как нанометры и тонкие технологии. пленки для поиска газочувствительных материалов с превосходными характеристиками.
Разработка и проектирование новых датчиков газа Новые датчики газа разрабатываются с учетом различных эффектов, которые могут оказывать газы и газочувствительные материалы. В последние годы успешная разработка новых датчиков, таких как датчики газа на поверхностных акустических волнах, оптические датчики газа и датчики газа с кварцевым генератором, еще больше расширила кругозор разработчиков. Газовые датчики также в настоящее время находятся в стадии исследования.
Дальнейшие исследования механизма чувствительности газовых сенсоров. Новые газочувствительные материалы и новые сенсоры появляются один за другим, и необходимо провести углубленные теоретические исследования механизмов их чувствительности. Только когда механизм ясен, следующий этап работы может потребовать меньше обходных путей.
Интеллектуальное производство газовых датчиков и быстрое развитие жизни выдвинули более высокие требования к газовым датчикам.Интеллектуализация газовых датчиков - единственный путь их развития. Интеллектуальные датчики газа будут разрабатываться на основе полного использования междисциплинарных комплексных технологий, таких как микромеханические и микроэлектронные технологии, компьютерные технологии, технологии обработки сигналов, схемы и системы, сенсорные технологии, технологии нейронных сетей и теория нечеткой информации.
Быстрое развитие газовых имитаторов газовых датчиков.Нос полицейской собаки является идеальным датчиком газа с очень хорошей чувствительностью и избирательностью.Сочетание бионики и сенсорных технологий для изучения «электронного носа», похожего на собачий нос, будет одним из важные направления развития газовых сенсоров.
