氣體檢測技術(shù)文獻(xiàn)綜述

氣體傳感器--綜述氣體傳感器文獻(xiàn)綜述指導(dǎo)老師胡赤鷹ndang/'word控制科學(xué)與工程學(xué)系自動化071林增輝 3061101271一、背景介紹目前隨著人們環(huán)保意識的提高環(huán)境問題日益受到政府和社會的關(guān)注。環(huán)境問題已經(jīng)成了重大的民生問題成為影響人民生活幸福感的重要因素。在一些地方環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到群眾健康。環(huán)境監(jiān)測是解決環(huán)境問題的基礎(chǔ)性工其目的是準(zhǔn)確及時(shí)全面地反映環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢為環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。氣體檢測是環(huán)境檢測的重要部分國內(nèi)各大城市都相繼建立了空氣質(zhì)量檢測機(jī)通過電視、互聯(lián)網(wǎng)等媒體及時(shí)向社會發(fā)布當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量狀況。而一些特殊的工作場所如化工廠、煤礦、垃圾處理場對氣體的檢測有著更高的要求。由于氣體的不可見性大部分氣體為無色和擴(kuò)散性氣體傳感器是氣體檢測最基礎(chǔ)的部分。氣體傳感器的研究成直接影響到氣體檢測技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.氣體檢測儀表氣體檢測的目的是分析各種氣體混合物中各組分的含量或其中某一組分的含量。氣體檢測儀表一般由傳感器、信號放大、處理單元、d檔輯顯示單元以及控制單元組成其中傳感器是最關(guān)鍵最基礎(chǔ)的部分。氣體檢測儀表的工作原理是根據(jù)混合氣體中待測氣體組分的某一化學(xué)或物理性質(zhì)比其他組分的有較大差別或待測組分在特定環(huán)境中表現(xiàn)出來的物理、化學(xué)性質(zhì)的不同來檢測待測組分的含量。因此氣體成分的分析方法基本上都是基于物理式、化學(xué)式和物理化學(xué)式等原理。2.氣體傳感器氣體傳感器是傳感技術(shù)中的重要組成部分能將氣體特定成分檢測出來并將其轉(zhuǎn)成適當(dāng)信號若與微機(jī)結(jié)合進(jìn)行在線監(jiān)控會大大提高分析速度和準(zhǔn)確度。自19日本研制出第一種可燃性氣體傳感器之后氣體傳感器從理論到應(yīng)用均得到迅速發(fā)展已廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。歷次國際性傳感器會議中與氣體有關(guān)的傳感器均為重要內(nèi)容之一我國有關(guān)傳感器技術(shù)方面的會議召開過多次氣體傳感器方面報(bào)告均占3上多著達(dá)40氣敏元件和氣體傳感器已成為傳感技術(shù)中的獨(dú)立分支。2.氣體傳感器分類目前常用的氣體傳感器可分半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器等。2.3導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測原理是當(dāng)傳感器的表面氧化物吸附某些氣體時(shí)電導(dǎo)率將發(fā)生改利用改變的電導(dǎo)率來檢測氣體及其濃度。從材料的應(yīng)用范圍普及程度以及實(shí)用性來半導(dǎo)體氣體傳感器應(yīng)用最為廣泛成本低廉在氣體傳感器中約占6它的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差受環(huán)境影響較大尤其每一種傳感器的選擇性都不是唯一的輸出參數(shù)也不能確定因此,d檔輯不宜應(yīng)用于計(jì)量準(zhǔn)確要求的場所。根據(jù)其機(jī)理半導(dǎo)體氣體傳感器可分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型表列出一些半導(dǎo)體傳感器。(1典型的表面型氣敏元件其傳感原理是Snn型半導(dǎo)體材料當(dāng)施加電壓時(shí)半導(dǎo)體材料溫度升高被吸附的氧接受了半導(dǎo)體中的電子形成了OO-O有還原性氣體H2COC存在時(shí)使半導(dǎo)體表面電阻下降電導(dǎo)上升電導(dǎo)變化與氣體濃度成比例NO型半導(dǎo)體氧化性氣體使電導(dǎo)下降對O敏感,Z體傳感器也屬于此種類型?？刂菩蛡鞲衅鞯脑硎蔷Ц袢毕葑兓瘜?dǎo)致電導(dǎo)率變化如FeTi對可燃性氣體敏感。對其原理認(rèn)識不盡統(tǒng)一但同樣隨氣體氣氛的改變電導(dǎo)發(fā)生變化并與氣體濃度成有關(guān)。(3)傳感器是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器稱為熱線性半導(dǎo)體傳感器。它是在P絲線圈上敷涂Sn其中P絲除起加熱作用外還有檢測溫度變化的功能。施加電壓后半導(dǎo)體變熱表面吸氧使自由電子濃度下降可燃性氣體存在時(shí)由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大散熱率相應(yīng)增高使P絲溫度下降阻值減小而P絲阻值變化與氣體濃度有關(guān)。這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒、可檢測低濃度氣體在可燃?xì)怏w檢測中有重要作用。表1半導(dǎo)體氣體傳感器類型傳感元件傳感材料可檢測氣體電導(dǎo)型表面敏感型SnO2+燃性氣體、CO氟利昂AV2O5金屬酞青容積控制型Fe2化石油氣、酒精TiO2oO-MgO空燃比控制、燃燒爐氣尾氣d檔輯型金屬半導(dǎo)體二極管(I)TiOTiOCdS、PdTiOH2CH4氣體敏感金屬-M極管電容)MOS-PdH2氣體敏感金屬-MOSFET(化)MOS、T改進(jìn)型的MOS-PdH2CONH3熱線型Pt-表面敏感與P溫度敏感Pt-性氣體H2COCH4型的F效應(yīng)晶體管氣體傳感器。P柵F效應(yīng)晶體管傳感器利用P吸收H并擴(kuò)散達(dá)到半導(dǎo)體S和P的界面減少P的功函對H2C敏感金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)型二極管整流特性隨氣體成分而變化利用這種氣體傳感器可以測H、SiH4電導(dǎo)型F效應(yīng)晶體管氣體傳感器體積小便于集成化能實(shí)現(xiàn)多功能。2.3化學(xué)氣體傳感器相當(dāng)一有毒害氣都有電性可以被氧化或者還原。利用這些反應(yīng)可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學(xué)方式檢測氣體早已被采用被測氣體根據(jù)構(gòu)成與有關(guān)的電極反應(yīng)便可檢測氣體成分常用于氣體檢測的以下幾種。電池型氣體傳感器這類傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)稱為電化學(xué)池分為陽離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)是選擇性強(qiáng)的傳感器。研究較多、達(dá)到實(shí)用化的事氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個(gè)電池之間的電位差等于濃差電池的電勢穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器已成功的應(yīng)用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機(jī)空燃比成分測量等。為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足在固體電解質(zhì)上蒸鍍一層敏感膜把周圍環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動的粒子數(shù)量聯(lián)系起來如固體電解質(zhì)中d檔輯有Nβ?Al膜把吸附的氣體粒子轉(zhuǎn)成固體電解質(zhì)中離子這種傳感器對0.1ppmNO2。位電解式傳感器是將被測氣體在特定電場下電離由電解電流測出氣體濃度這種傳感器靈敏度高改變電位可選擇地檢測氣體對毒性氣體檢測有重要作用。 池式氣體傳感器原理形同我們使用的干電池如在K解質(zhì)溶液中PtPAg構(gòu)成電池檢測O已被成功應(yīng)用。它的靈敏度高其缺點(diǎn)是透水逸散吸潮電極易中毒。2.3化燃燒式傳感器催化燃燒式傳感器屬于高溫傳感器檢測元件是在P絲線圈上包以礬土系氧化金屬和粘合劑形成球狀經(jīng)燒結(jié)而成其外表面敷有PtP等稀有金屬的催化層。催化燃燒式傳感器適用于可燃性氣體CHC的檢測?？扇?xì)怏w接觸表面催化劑P、P時(shí)燃燒放熱燃燒熱與氣體濃度有關(guān)燃燒熱使傳感器溫度上升橋路電阻變化與可燃性氣體濃度成比例。這類傳感器的應(yīng)用面廣選擇性地檢測可燃性氣體凡是不能燃燒的傳感器都沒有任何響應(yīng)催化燃燒式傳感器體積結(jié)構(gòu)簡穩(wěn)定性好響應(yīng)快,壽命較在安全檢測領(lǐng)域是一類主導(dǎo)地位的傳感器結(jié)構(gòu)性在可燃?xì)怏w范圍內(nèi)無選擇性暗火工作有引燃爆炸的危險(xiǎn)且大部分元素有機(jī)蒸汽對傳感器都有中毒作用這些是它的缺點(diǎn)。2.3導(dǎo)式氣體傳感器每一種氣體都有自己特定的熱導(dǎo)率當(dāng)兩個(gè)和多個(gè)氣體的熱導(dǎo)率差別較大時(shí)可以利用熱導(dǎo)元件分辨其中一個(gè)組分的含量這種傳感器已經(jīng)傳感器地用于氫氣的檢測、二氧化碳的檢測、高濃度甲烷的檢測。這種氣體傳感器可應(yīng)用范圍較限制因素較多。d檔輯2.3學(xué)氣體傳感器這類傳感器基本上是基于物理量變化、不涉及化學(xué)反應(yīng)的氣體傳感器。(接吸收式氣體傳感器紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學(xué)氣體傳感器是根據(jù)氣體分子分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分用于氣體檢測已有多年歷史非分散紅外吸收光譜對SCOCN等氣體具有較高的靈敏度。根據(jù)半導(dǎo)體材料光學(xué)特紅外半導(dǎo)體檢測器已用于紅外氣體傳感器檢測氣體成分另外紫外吸收、非分散紫外吸收、相關(guān)分光、二階導(dǎo)數(shù)等吸收對N、NSC氣體具有較高的靈敏度。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高是這類傳感器的缺點(diǎn)。 應(yīng)氣體傳感器這類傳感器是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強(qiáng)度吸收等光學(xué)特性改變,傳感原件是理想的但是氣體光感變化受到限制傳感器的自由度小。 )光學(xué)特性傳感器光導(dǎo)纖維溫度傳感器就是這種類在光纖頂端涂敷的觸媒與氣體反應(yīng)、發(fā)熱、溫度改變導(dǎo)致光纖溫度改變利用光纖測溫來檢測氣體。光學(xué)傳感器中后兩種類型將氣體成分的變化量轉(zhuǎn)換成光信號而非電信號。這種傳感器不受磁場干擾不產(chǎn)生火花安全可靠利用光纖可進(jìn)遠(yuǎn)傳遙控,對實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控有重要使用價(jià)值。2.3.6新型氣體傳感器(1)波氣體傳感器聲表面波(S傳感器是一種較新的傳感器技術(shù)是隨著幾十年來人們對聲表面波的深入理解發(fā)展起來具有低功耗便攜帶靈敏度較高的特點(diǎn)。d檔輯敏感吸附膜組成。敏感吸附膜不同所吸附的氣體就不同。叉指換能器產(chǎn)生聲表面波在吸附氣體前和吸附氣體后的物理特性如頻率、幅度、相位等是有差別的。S體傳感器正式利用了這種變化及敏感膜的不同來探測氣體的種類和濃度。S體傳感器已應(yīng)用于對SH2HN水蒸氣、丙酮、甲醇等氣體的檢測但是仍存在易受溫度、壓力和濕度等因素的影響、可靠性和可重復(fù)性不高的缺點(diǎn)。碳納米管基氣體傳感器與傳統(tǒng)氣敏材料相比碳納米管(CNTs)的比表面積、高的電導(dǎo)率、豐富的空隙結(jié)構(gòu)、相當(dāng)高的表面能和穩(wěn)定的理化性質(zhì)是一種有著廣闊應(yīng)用前景的氣敏材料CN以在常溫下工作無需附加溫控單元可節(jié)約能耗使傳感器的整體結(jié)構(gòu)變得簡單同導(dǎo)電聚合物相比,CN常溫下理化性質(zhì)穩(wěn)定可長期使用。通過修飾和復(fù)合可大大改善CN氣敏性能使CN綜合氣敏性能得到提高。CN氣體傳感器可檢測多種氣體或有機(jī)蒸汽如NNCC2O、乙醇、四氫呋喃、苯、甲苯、環(huán)己烷等。適石諧式體傳器石英振氣傳感的敏件要由英片金極支三部組成其電極上涂有一層氣體敏感膜當(dāng)被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時(shí)敏感膜的質(zhì)量增加從而使石英振子的諧振頻率降低。由于寫真頻率的變化量與被測氣體濃度成正比故通過檢測諧振頻率便可判斷氣體濃度大小。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、但只能使用在室溫下工作的氣體敏感膜。目前已開發(fā)出可測試NSHH醋酸蒸汽等氣體的石英諧振式傳氣體感器但產(chǎn)業(yè)化尚需d檔輯時(shí)日尤其是選擇性還未得到根本解決。2.國內(nèi)外氣體檢測技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r2.4內(nèi)氣體檢測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r目前國內(nèi)應(yīng)用于實(shí)際中的氣體檢測系統(tǒng)并不多用途相對集中主要是針對已知?dú)怏w濃度的檢測和控制所采用的技術(shù)可分為2類一類是基于金屬傳感器的氣體檢測技術(shù)一類是基于非線性熒光光譜與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣體檢測技術(shù)。(1)屬傳感器的氣體檢測技術(shù)該技術(shù)主要是利用一個(gè)帶有金屬氣敏傳感器的檢測電路對被測氣體進(jìn)行檢測通過氣體作用于金屬傳感器導(dǎo)致傳感器電阻性質(zhì)發(fā)生變化從而對被測氣體進(jìn)行定性和定量檢測這一技術(shù)又可分為單傳感器檢測技術(shù)和基于傳感器陣列的檢測技術(shù)種?；诜蔷€性熒光光譜與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣體檢測技術(shù)對大氣的污染程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測已成為科學(xué)工作研究熱點(diǎn)大氣是一種克爾介質(zhì)所以超短激光脈沖在大氣中傳輸時(shí)的非線性作用主要包括由于克爾效應(yīng)導(dǎo)致的自聚焦和等離子體中的自由電子散焦作用超短脈沖激光在大氣中傳輸出現(xiàn)的非線性光學(xué)自聚焦和超輻射現(xiàn)象使大部分氣體分子擊碎分裂和發(fā)生電離,從而發(fā)射不同的非線性熒光光譜。這些光譜與雜志氣體密切相關(guān)但要通過直接尋找某種雜志氣體的特征光譜來分析氣體成分是非常困難的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可學(xué)習(xí)性推廣能力強(qiáng)的特點(diǎn)使它有可能成為復(fù)雜光譜識別的有力工具。目前使用的主要是支持向量基網(wǎng)絡(luò)模型和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。2.4.2體檢測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r相對于國內(nèi)氣體檢測方法而言國外的氣體檢測技術(shù)明顯呈現(xiàn)多樣性的d檔輯特點(diǎn)其中光譜檢測技術(shù)是目前比較流行的檢測技術(shù)主要有中紅外光譜技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)。這類方法具有檢測范圍廣、檢測精度高、響應(yīng)速度塊得特點(diǎn),能滿足定性檢測、定量檢測等不同檢測需求其檢測精度最高可達(dá)p。離子遷移譜技術(shù)(I一種利用譜信息對氣體進(jìn)行檢測的技術(shù)該技術(shù)在軍事領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用是針對戰(zhàn)場毒氣檢測的理想解決方案。另外基于MDS傳感器的氣體檢測技術(shù)也是目前國內(nèi)少有報(bào)道的一種檢測技術(shù)該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對HNN多種氣體的檢測精度可達(dá)5~20檢測原理的限制,該技術(shù)的檢測范圍受到較大限制。研究展望氣體傳感器的發(fā)展方向氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大屬于多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。要切實(shí)提高傳感器各方面的性能指標(biāo),,要多學(xué)科多領(lǐng)域研究者的協(xié)同合作氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)一直受到研究人員的關(guān)注。在綜合氣體傳感器的國內(nèi)外的研究未來氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作。主要內(nèi)容為:(1)料的進(jìn)一步開發(fā)一方面尋找新的添加劑對已開發(fā)的氣敏材料的敏感特性進(jìn)一步提高尤其是通過選擇不同的添加劑來改善同一基質(zhì)材料對不同氣體選擇性另一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術(shù)使氣敏材料各方面的性能得到大大改善譬如納米器件比表面積大有利于提高其靈敏度大大降低使用溫易于器件集成降低成本便于使用。(體傳感器的開發(fā)和設(shè)計(jì)根據(jù)氣體和氣敏材料可能產(chǎn)生的不同效應(yīng)設(shè)計(jì)出新型氣體傳感器是氣體傳感器未來發(fā)展的重要方向和后勁近年來表d檔輯的視性都非常好的理想氣敏傳感器結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的“電子鼻”將是氣體傳感器發(fā)展的重要趨勢和目標(biāo)之一。氣體傳感器傳感機(jī)理的研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮,需要在理論上對它們的傳感機(jī)理進(jìn)行深入研究。傳感機(jī)理一旦明確設(shè)計(jì)者便可有據(jù)可依地針對傳感器的不足之處加以改進(jìn)也將大大促進(jìn)氣體傳感器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。(4)感器的智能化生產(chǎn)和生活日新月異的發(fā)展變化對氣體傳感器提出了更高的要求氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。納米、薄膜技術(shù)等新材料制備技術(shù)的成功應(yīng)用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)信號處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)傳感技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展研制能夠同時(shí)監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)字化的智能氣體傳感器將是以后該領(lǐng)域的重要研究方向。參考文獻(xiàn)[1]宏建蒙建波主編自動檢測技術(shù)與裝置北京化學(xué)工業(yè)出版社.2004[2]熙鐘氣體傳感器及其應(yīng)用低溫與特氣,1992,(3)[3雷元進(jìn)蔣竹鳳陶月梅吳志鳴新型可燃性氣體催化傳感器及其應(yīng)用研究傳感器技術(shù),1993,(6)[4]紹中易燃易爆氣體之分類與檢測技醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),1993,(5)d檔輯[5王子平我國可燃?xì)怏w檢測儀表的發(fā)展化工自動化與儀表,1991,(5)[6王帥馮新瀘多組分氣體檢測與識別技術(shù)進(jìn)展重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)自然科學(xué)版),2007,21(3)[7]修慧光纖氣體傳感技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動武鋼技術(shù),1993,(3)[8]常保朱長純劉君華巨永鋒許宏科基于多條耦合器的雙聲路聲表面波氣體傳感器儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(12)[9]強(qiáng)管自生電阻式半導(dǎo)體傳感器儀表技術(shù)與傳感器,2006,(7)[1昊峰賈瑞李維龍陳晨劉明氣體聲表面波傳感器的研究進(jìn)展微納電子技術(shù),2009,46(12)[1]文惠張偉德碳納米管基氣體傳感器研究進(jìn)展化學(xué)通報(bào),2009,72(3)[1革宇全寶復(fù)張彤氣體傳感器的最新進(jìn)展儀表技術(shù)與傳感器,2009,(z1)[1玉峰田彥文韓元山翟玉春氣體傳感器研究進(jìn)展和發(fā)展方向計(jì)算機(jī)測量與控,2003,