氣敏傳感器介紹與運(yùn)用

檢測(cè)技術(shù)大作業(yè)機(jī)械工程學(xué)院2013屆題目 氣敏傳感器介紹與應(yīng)用學(xué)生姓名XX學(xué)號(hào)200901XXXXXX專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化得 分 任課老師 XX 摘要:氣敏傳感器是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器，用來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。關(guān)鍵詞：電阻型非電阻型有毒氣體保護(hù)環(huán)境保證安全ABSTRACT:Gassensitivesensorisakindofspecialgasdetection,fortheconcentrationandcompositionofgasdetection,classification.Itconsistsofsemiconductorgassensor,contactcombustiontypegassensorandelectrochemicalgassensors,whichareusedmostsemiconductorgassensor.Keywords:ResistancetypeNonresistanceToxicgasesProtectenvironmentEnsuresafety一、氣敏傳感器的現(xiàn)狀國(guó)外，目前應(yīng)用最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在1980年1月開(kāi)始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)，1986年5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國(guó)目前已有6個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO報(bào)警器。報(bào)警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有壁掛式、臺(tái)放式、單臺(tái)監(jiān)控式、多路巡檢式等。氣體檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。美國(guó)工業(yè)科學(xué)公司（ISC）一臺(tái)攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn)4種氣體監(jiān)測(cè)，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣敏傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體監(jiān)測(cè)。美國(guó)國(guó)際傳感器技術(shù)（IST）公司應(yīng)用一種“MegaCas”傳感器和微程序控制單元，可檢測(cè)100種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過(guò)其“氣體檢索”功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。國(guó)內(nèi)，氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國(guó)家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國(guó)內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是：燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量90%以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣敏傳感器有了試制產(chǎn)品;在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動(dòng)結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開(kāi)發(fā)的A12O3氣敏材料、石英品體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開(kāi)始用于氣敏材料;低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試；國(guó)內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過(guò)“九五”初期的400萬(wàn)支。產(chǎn)量超過(guò)20萬(wàn)支的主要廠家有5家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過(guò)100萬(wàn)支，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1998年全國(guó)氣敏元件總產(chǎn)量已超過(guò)600萬(wàn)支?？偟目磥?lái)，我國(guó)氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后10年。二、氣敏傳感器的發(fā)展氣敏傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展目前，氣敏傳感器的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡(jiǎn)化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣敏傳感器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測(cè)（0.1?10）X10—6硫化氫低功耗氣敏傳感器，美國(guó)1ST提供了壽命達(dá)10年以上的氣敏傳感器，美國(guó)FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗CO氣敏傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器。如美國(guó)GeneralMonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣敏傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國(guó)IST公司的具有微處理器的“MegaGas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。國(guó)外，氣敏傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識(shí)很強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求極高；另一方面是由于傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。因此，國(guó)外氣敏傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)近年氣敏傳感器年均增長(zhǎng)率為(27?30)%。在微電子和微機(jī)械迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)展新型傳感器工藝，基于MEMS的新型微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器，主要有硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器和硅微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器是襯底為硅，敏感層為非硅材料的微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。主要有金屬氧化物半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)型、電容型、諧振器型。硅微結(jié)構(gòu)：主要是金屬氧化物一半導(dǎo)體一場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)型和鈀金屬一絕緣體一半導(dǎo)體(MIS)二極管型。MEMS技術(shù)將傳感器與IC電路集成一起，而且精度高、體積小、質(zhì)量輕功耗低、選擇性高、穩(wěn)定型高，同種器件之間的互換型高，可以批量生產(chǎn)。所以是傳感器工藝的發(fā)展方向，而且基本所有的傳感器都可以用MEMS技術(shù)生產(chǎn)。隨著MEMS技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)給氣敏傳感器的發(fā)展提供更廣闊的的前景。同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器陳列，也就是電子鼻集成成為可能，并將有很大的發(fā)展空間，給傳感器帶來(lái)新的發(fā)展空間。國(guó)內(nèi)，氣敏傳感器發(fā)展應(yīng)以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化需求和人民生命財(cái)產(chǎn)安全服務(wù)為目標(biāo)，以新型氣敏元件傳感器開(kāi)發(fā)和大量需求的氣敏元件傳感器專業(yè)化大生產(chǎn)為重點(diǎn)，搞好推廣普及和應(yīng)用，發(fā)展和完善氣敏元件傳感器、變送器、報(bào)警器和應(yīng)用裝置系統(tǒng)等氣敏綜合應(yīng)用技術(shù)，組建有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)集團(tuán)，開(kāi)發(fā)有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，推動(dòng)我國(guó)氣敏技術(shù)跨上一個(gè)新臺(tái)階。在具備條件的企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)建立技術(shù)中心，配備先進(jìn)開(kāi)發(fā)手段;產(chǎn)品工藝方面，重點(diǎn)解決厚膜、電化學(xué)和集成工藝技術(shù)，發(fā)展MEMS技術(shù)；主要產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界同期先進(jìn)水平；開(kāi)發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，如常溫低功耗(電池供電)氣敏傳感器，新型環(huán)境氣敏傳感器等。三、幾種常見(jiàn)氣敏傳感器的研究進(jìn)展CO傳感器和最新敏感材料對(duì)CO氣體檢測(cè)的適用方法有比色法、半導(dǎo)體法、紅外吸收探測(cè)法、電化學(xué)氣敏傳感器檢測(cè)法等。比色法是根據(jù)co氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應(yīng)，因而使化合物顏色改變，通過(guò)顏色變化來(lái)測(cè)定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有電功耗。半導(dǎo)體CO傳感器，通過(guò)溶膠-凝膠法獲得SnO2基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來(lái)測(cè)定氣體。現(xiàn)國(guó)外有研究對(duì)SnO2基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器工作在220^時(shí)，在SnO2中摻雜2%的Pt時(shí)，傳感器對(duì)CO具有最大的敏感度。由于氣敏傳感器的交叉感應(yīng)，使得CO傳感器對(duì)很多氣體如H2、CO2、H2O等都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對(duì)其他氣體的敏感度下降很多。CO電化學(xué)氣敏傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學(xué)電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過(guò)渡金屬元素，這類元素具有空余的d、f電子軌道和多余的d、f電子，可在氧化還原的過(guò)程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物，具有較強(qiáng)的催化能力。又研制了一種新型的CO電化學(xué)式氣敏傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對(duì)比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對(duì)CO具有顯著的電化學(xué)催化效應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好。利用CO氣體近紅外吸收機(jī)理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣敏傳感器，該儀器檢測(cè)靈敏度可達(dá)到0.2X10-6。另一種光學(xué)型傳感器是用溶膠一凝膠鹽酸催化法和超聲制得SiO2薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與CO反應(yīng)，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化。現(xiàn)知國(guó)外有研究，采用超頻率音響增強(qiáng)電鍍鐵酸鹽方法獲得磁敏感膜，磁飽和度和矯頑磁力決定對(duì)氣體的響應(yīng)敏感度。當(dāng)溫度加熱到85r時(shí)，得到最大響應(yīng)，檢測(cè)范圍333ppm?5000ppm。CO2傳感器和最新敏感材料目前人們已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)出了紅外線吸收法、電化學(xué)式、熱傳導(dǎo)式、電容式及固體電介質(zhì)CO2傳感器及檢測(cè)儀，其中紅外線吸收法和色譜法方法與CO基本相似。固體電解質(zhì)CO2氣敏傳感器是由Gauthier提出的。初期用K2CO3固體電解質(zhì)制備的電位型CO2傳感器，受共存水蒸氣影響很大，難以實(shí)用；后來(lái)有人利用穩(wěn)定化鋯酸鹽ZrO2-MgO設(shè)計(jì)一種CO2敏感傳感器，LaF3單品與金屬碳酸鹽相結(jié)合制成的CO2傳感器具有良好的氣敏特性，在此基礎(chǔ)上有人提出利用穩(wěn)定化鋯酸鹽/碳酸鹽相結(jié)合成的傳感器。1990年日本山添等人采用NASICON(Na+超導(dǎo)體)固體電解質(zhì)和二元碳酸鹽(BaCO3Na2CO3)電極，使傳感器響應(yīng)特性有了大的改進(jìn)。但是，這類電位型的固態(tài)CO2傳感器需要在高溫(400?600°C)下工作，且只適宜于檢測(cè)低濃度CO2,應(yīng)用范圍受到限制?，F(xiàn)有采用聚丙烯腈(PAN)、二甲亞颯(DMSO)和高氯酸四丁基銨(TBAP)制備了一種新型固體聚合物電解質(zhì)。以恰當(dāng)用量配比PAN(DMSO)2(TBAP)2聚合物電解質(zhì)呈有高達(dá)10-4S?cm-1的室溫離子電導(dǎo)率和好的空間網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，由其在金微電極上成膜構(gòu)成的全固態(tài)電化學(xué)體系，在常溫下對(duì)CO2氣體有良好的電流響應(yīng)特性，消除了傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器因電解液滲漏或干涸帶來(lái)的弊端，又具有體積小、使用方便的獨(dú)到優(yōu)點(diǎn)。電容式傳感器是利用金屬氧化物一般比其碳酸鹽的介電常數(shù)要大，利用電容的變化來(lái)檢測(cè)CO2。報(bào)道采用溶膠一凝膠法，以醋酸鋇和鈦酸丁脂為原材料，乙醇和醋酸為溶劑制備了BaTiO3納米品材料。采用這種納米品材料為基體，制備電容式CO2氣敏傳感器。光纖CO2傳感器利用CO2與水結(jié)合后，生成的碳酸酸性很弱，其酸性的檢測(cè)多采用靈敏度較高的熒光法，如楊榮華等人研制的基于熒光碎滅原理的固定有葉琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用環(huán)糊精對(duì)葉琳的熒光增強(qiáng)效應(yīng)，且該熒光能被溶液中二氧化碳碎滅，該膜響應(yīng)速度快、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)定碳酸的范圍達(dá)到了4.75X10-7?3.90X10-5mol/L，這對(duì)化學(xué)傳感器來(lái)說(shuō)是一個(gè)較好的性能指標(biāo)。該方法克服了化學(xué)發(fā)光傳感器消耗試劑的不足，不必連續(xù)不斷地在反應(yīng)區(qū)加送試劑。H2傳感器和最新敏感材料采用NO直接氧化制備氮化氧化物作為絕緣層制備高性能Si基MOS肖特基二極管式氣敏傳感器，這種肖特基二極管式氣敏傳感器具有高的響應(yīng)靈敏度和好的響應(yīng)重復(fù)性，可以探測(cè)濃度約為10-6的氫氣?，F(xiàn)在對(duì)特定的高溫環(huán)境下，檢測(cè)氣體有采用碳化硅代替硅，利用Pt作為電極，利用N2O氧化工藝制備金屬一絕緣體一SiC肖特基勢(shì)壘二極管氣敏傳感器超薄柵介質(zhì)，這種傳感器能在高溫下穩(wěn)定工作。將光纖傳輸、標(biāo)準(zhǔn)具透射、鈀膜的氫吸附、吸收光譜定量分析各種技術(shù)運(yùn)用為一體，開(kāi)發(fā)出了這種傳感器。用一束單色光照射標(biāo)準(zhǔn)具，敏感材料鈀吸附了H2,國(guó)外用Pd/PVDF膜制備了激光振幅可調(diào)的光學(xué)氫氣傳感器。該傳感器的檢測(cè)范圍為0.2%?100%。Sb2O5-H2OH3PO4氫氣就會(huì)吸收單色光，分析吸收譜線刻知?dú)錃鉂舛?。?fù)合氧化物為固態(tài)電解質(zhì)，利用混合壓膜和蒸發(fā)的方法制作傳感催化電極和參考電極，研制了室溫全固態(tài)電解質(zhì)氫氣傳感器。也有用質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，碳紙和鉑黑分別為電極的擴(kuò)散層和催化層，制作了恒電位式氫氣傳感器。通過(guò)在工作電極前面加設(shè)聚乙烯膜，增大氫氣擴(kuò)散阻力，可以將氫氣氧化電流與氫氣濃度之間的線性關(guān)系提高到氫氣濃度。半導(dǎo)體氫敏傳感器是以金屬鈀（Pd）作為柵極，由Pd-TiO2/SiO2-Si構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)鈀柵場(chǎng)效應(yīng)管吸收氫氣時(shí)，將使半導(dǎo)體的導(dǎo)電電子比例發(fā)生變化，因而使氫敏元件的阻值也隨著被測(cè)氫氣的濃度變化而變化，這種鈀極場(chǎng)效