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甲醛气体传感器结构

2013/7/23 10:08:10

甲醛气体传感器结构
1、甲醛气体传感器的结构
　　甲醛气体传感器主要由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。其中敏感元件是用来感受甲醛气体的元件，是传感器的核心元件。转换元件是将甲醛信号按一定规律转化成可用输出电信号的元件。为转化元件提供电能并输出的电信号转化成光信号、声音信号或数字显示信号的部分称作测量电路。
敏感元件是用来感受甲醛气体的元件，是甲醛气体传感器的核心，也是研究、设计、制作甲醛气敏传感器的关键[3]。转化元件是解决甲醛信号向电信号的转换，同时将不适于传输或测量的微弱电信号转化为适于传输或测量的可用电信号。从材料物态上看，甲醛气体传感器可分为干式气体传感器和湿式气体传感器两类。干式气体传感器构成气体传感器的材料为固体，有接触燃烧式、半导体式、固体电解质式、红外线吸收式、导热率变化式。湿式气体传感器是利用水溶液或者电解液来感知待测气体，有极谱式和原电池式。本文主要研究的是干式气体传感器中的半导体式。从组装结构上看，半导体式甲醛气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。从制造工艺上看，半导体式气体传感器可分为烧结型、薄膜型和厚膜型和多层结构型四类
2、甲醛气体传感器的材料
　　　某些半导体材料在于某些气体接触后，电阻率发生变化，导致电阻发生变化，这样的半导体我们称之为半导体气敏材料。显然，用半导体气敏材料可制造气敏传感元件。气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。对甲醛气体敏感的金属半导体材料有SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等。我们可选用这些半导体材料制造甲醛气敏传感器。因此，我们所制造的甲醛气敏传感器的敏感元件的制备便从上述半导体材料中选材。
按构成甲醛气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。半导体甲醛气敏传感器又按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在内部再分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质：又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体甲醛气敏元件是利用半导体接触甲醛气体时，其阻值的改变来检测甲醛气体的成分或浓度；非电阻型半导体甲醛气敏元件是根据对甲醛气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对甲醛气体进行直接间接检测。下表1是一些对气体敏感的金属半导体材料在特定条件下的特性介绍，只要改变工作温度和掺杂物的浓度，代表性被测气体就可变为甲醛气体
3、甲醛气敏传感器的敏感机理
　　半导体材料有多电子的N型半导体和多空穴的P型半导体两种，甲醛是还原性气体。当甲醛吸附到N型半导体表面时，与材料发生氧化还原反应，由于甲醛是还原性气体，在反应
中提供电子，N型半导体的载流子是电子，得到加权提供的电子后，载流子数目增多，相当于材料的电阻减小。当甲醛吸附到P型半导体表面时，同样在材料表面发生氧化还原反应，甲醛依然提供电子，但P型半导体的载流子是带正电的空穴，很多空穴和甲醛提供的电子中和，导致半导体材料的载流子数目减少，相当于使材料的电阻变大。半导体材料表面吸附甲醛后导致电阻变化，我们通过测量电路测定半导体材料的阻值变化引发的电路中电压和电流的变化来衡量甲醛气体的各项指标，这便是甲醛气敏传感器的敏感机理。
4、甲醛气敏传感器的研究现状
    在人类发现半导体气敏材料的气敏特性后，相继发明了许多甲醛气敏传感器，但成果并不理想。因此，近年来甲醛检测仪的研究成了新热点。下面，本文简要介绍一下甲醛气敏传感器的开发现状。
　　早在1983年，压电类甲醛气敏传感器已经制备成功，但容易受到水分子的影响而使晶体振动频率发生漂移，根本就没有实用性。
　　2000年到2008年期间，许多甲醛快速测定仪诞生，这些检测仪操作方便并当场显示，但这些检测仪设计复杂、选材极多并要求很高，离普遍使用的要求尚有较大差距。例如：产于长春吉大小天鹅仪器有限公司的GDYQ系列甲醛测定仪，是通过甲醛与显色剂反应生成蓝绿色化合物对可见光有选择性吸收而建立的比色分析法，并用微型高灵敏光度计检测。又如，美国INTERSCAN公司的4160甲醛测定仪、英国PPM400手持式现场甲醛测定仪和日本XP-308和XP-308II型甲醛测定仪，原理基于电化学原理[6]，工作原理可用图6解释。发生的氧化还原反应:
　　　　　　　　　工作电极： HCHO+H2O→CO2+4H++4e
　　　　　　　　　对电极：   O2+4H++4e→2H2O
　　　　　　　　　总反应：   HCHO+H2O→CO2+2H2O
　　上述的这些传感器要么不实用，费用都很高。像使用电化学法、质谱对比分析法、化学发光法和催化发光法等检测法的费用非常高，不可能普及到普通家庭。目前，最有发展前景的是金属氧化物半导体，因为金属氧化物半导体是普通且廉价的气敏材料。只要研制出以金属氧化物半导体为材料的敏感元件，并消除其他因素的影响，则这将是目前最具有发展前景的新型气敏元件。不过，甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氢、氨气、酒精、液化气、汽油等气体都是还原性气体，使半导体金属氧化物都敏感，因而对甲醛气体的检测造成了干扰，但不同气敏元件的干扰气体不同，我们可采用复合掺杂的方法提高气敏元件选择性，要是掺杂物以及掺杂物的浓度搭配适当，也有可能消除各种干扰气体。