山大生物醫(yī)學(xué)傳感器講義-氣體傳感器

1、氣體傳感器氣體傳感器是氣體檢測(cè)系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測(cè)頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)處理，以便化學(xué)傳感器進(jìn)行更快速的測(cè)量。氣體種類(lèi)繁多，性質(zhì)各異，因此，氣體傳感器種類(lèi)也很多。按待檢氣體性質(zhì)可分為：用于檢測(cè)易燃易爆氣體的傳感器，如氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發(fā)氣等；用于檢測(cè)有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；用于檢測(cè)工業(yè)過(guò)程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳；用于檢測(cè)大氣污染的傳感器，如形成酸雨的NOx、CH4、

2、O3，家庭污染如甲醛等。按氣體傳感器的結(jié)構(gòu)還可分為干式和濕式兩類(lèi)；按傳感器的輸出可分為電阻式和費(fèi)電阻式兩類(lèi)；按檢測(cè)院里可分為電化學(xué)法、電氣法、光學(xué)法、化學(xué)法幾類(lèi)。半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器可分為電阻型和非電阻型(結(jié)型、MOSFET型、電容型)。電阻型氣敏器件的原理是氣體分子引起敏感材料電阻的變化；非電阻型氣敏器件主要有Mos二極管和結(jié)型二極管以及場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，它利用了敏感氣體會(huì)改變MOSFET開(kāi)啟電壓的原理，其原理結(jié)構(gòu)與ISFET離子敏傳感器件相同。電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器作用原理:人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在氣敏效應(yīng)。用這

3、些金屬氧化物制成的氣敏薄膜是一種阻抗器件，氣體分子和敏感膜之間能交換離子，發(fā)生還原反應(yīng)，引起敏感膜電阻的變化。作為傳感器還要求這種反應(yīng)必須是可逆的，即為了消除氣體分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。SnO2薄膜氣敏器件因具有良好的穩(wěn)定性、能在較低的溫度下工作、檢驗(yàn)氣體種類(lèi)多、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前的主流產(chǎn)品。此外，F(xiàn)e2O3也是目前廣泛應(yīng)用和研究的材料。除了傳統(tǒng)的SnO、SnO2和Fe2O3三大類(lèi)外，目前又研究開(kāi)發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開(kāi)發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。選擇性是

4、氣體傳感器的關(guān)鍵性能。如SnO2薄膜對(duì)多種氣體都敏感，如何提高SnO2氣敏器件的選擇性和靈敏度一直是研究的重點(diǎn)。主要措施有：在基體材料中加入不同的貴金屬或金屬氧化物催化劑，設(shè)置合適的工作溫度，利用過(guò)濾設(shè)備或透氣膜外過(guò)濾敏感氣體。在SnO2材料內(nèi)摻雜是改善傳感器選擇性的主要方法，添加Pt、Pd、Ir等貴金屬不僅能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，而且，催化劑不同，導(dǎo)致不同的吸附傾向，從而改善選擇性。例如在SnO2氣敏材料中摻雜貴金屬Pt、Pd、Au可以提高對(duì)CH4的靈敏度，摻雜Ir可降低對(duì)CH4的靈敏度，摻雜Pt、Au提高對(duì)H2的靈敏度，摻雜Pd降低對(duì)H2的靈敏度。工作溫度對(duì)傳感器的靈敏度有影響

5、。器件在不同溫度下對(duì)各種氣體的靈敏度不同，利用這一特性可以識(shí)別氣體種類(lèi)。制備工藝對(duì)SnO2的氣敏特性也有很大的影響。如在SnO2中添加ThO2，改變燒結(jié)溫度和加熱溫度就可以產(chǎn)生不同的氣敏效應(yīng)。按質(zhì)量計(jì)算，在SnO2中加入35的ThO2，5的Sm2在600的H2氣氛中燒結(jié)，制成厚膜器件，工作溫度為400。則可作為CO檢測(cè)器件。工作溫度在170200范圍內(nèi)，對(duì)H2的靈敏度曲線呈拋物線，而對(duì)CO改變工作溫度則影響不大，因此，利用器件這一特性可以檢測(cè)H2。而燒結(jié)溫度為400制成的器件，工作溫度為200時(shí)，對(duì)H2、CO的靈敏度曲線形狀都近似呈直線，但對(duì)CO的靈敏度要高得多，可以制成對(duì)CO敏感的氣體傳感器

6、。結(jié)構(gòu)及參數(shù)：SnO2電阻型氣敏器件通常采用燒結(jié)工藝。以多孔SnO2陶瓷為基底材料，再添加不同的其他物質(zhì)，用制陶工藝燒結(jié)而成，燒結(jié)時(shí)埋入加熱電阻絲和測(cè)量電極。此外，也有用蒸發(fā)和濺射等工藝制成的薄膜器件和多層膜器件，這類(lèi)器件靈敏度高，動(dòng)態(tài)特性好。還有采用絲網(wǎng)印刷工藝制成的厚膜器件和混合膜器件，這類(lèi)器件具有集成度高，組裝容易，使用方便，便于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。電阻型氣體傳感器的典型結(jié)構(gòu)主要由SnO2敏感元件、加熱器、電極引線、底座及不銹鋼網(wǎng)罩組成。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以檢測(cè)還原性氣體、可燃性氣體、蒸氣等。電阻型氣體傳感器的主要特性參數(shù)有：1、固有電阻Ro和工作電阻Rs固有電阻Ro又稱(chēng)正常電

7、阻，表示氣體傳感器在正?？諝鈼l件下的阻值。工作電阻Rs表示氣體傳感器在一定濃度被測(cè)氣體中的阻值。2、靈敏度S通常用S=RsRo表示，有時(shí)也用兩種不同濃度C1、C2)檢測(cè)氣體中元件阻值之比來(lái)表示：S=Rs(C2)Ro(C1)。固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)是一種具有與電解質(zhì)水溶液相同的離子導(dǎo)電特性的固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)用作氣體傳感器時(shí)，它是一種電池。它無(wú)需使氣體經(jīng)過(guò)透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發(fā)和電極消耗等問(wèn)題。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環(huán)保、礦業(yè)、食品等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性?xún)H次子金屬氧化物一半導(dǎo)體氣體傳感器。固體電解質(zhì)氧氣傳感器原理同體電解質(zhì)在高溫下才

8、會(huì)有明顯的導(dǎo)電性。氧化鋯(ZrO2)是典型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升到1000左右時(shí)就會(huì)發(fā)生同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，由單斜晶結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，并伴隨體積收縮和吸熱反應(yīng)，因此是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在ZrO2中摻入穩(wěn)定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩(wěn)定的熒石立方晶體，穩(wěn)定程度與穩(wěn)定劑的濃度有關(guān)。ZrO2加入穩(wěn)定劑后在l800氣氛下燒結(jié)，其中一部分鋯離子就會(huì)被鈣離子替代，生成(ZrOCaO)。由于Ca2+是正二價(jià)離子，Zr4+是正四價(jià)離子，為繼續(xù)保持電中性，會(huì)在晶體內(nèi)產(chǎn)生氧離子O2-空穴，這是(ZrOCaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結(jié)果是(ZrOCaO)在300800成為氧離子的導(dǎo)體。但要真正能夠傳遞氧離子還必須在固體電解質(zhì)兩邊有不同的氧分壓(氧位差)，形成所渭的濃差電池。設(shè)電極兩邊的氧分壓分別為PO2(1)、PO2(2)，在兩電極發(fā)生如下反應(yīng)：(+)極：PO2(2)，2O2-O2+4e(-)極：PO1(1)，O2+4e2O2-固定PO2(1)實(shí)際上是(-)極形成一個(gè)電位固定的電極，即參比電極，有氣體參比電極和共存相參比電極兩種。氣體參比電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相參比電極是指金屬-金屬氧化物、低價(jià)金屬氧化物-高價(jià)金屬氧化物的混合