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超越人类的“电子鼻”——气体传感器简介

在人类赖以生存的大气环境里,充满了呼吸必须的氧气,也存在对人体有害的氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳等气体,以及PM2.5等颗粒物。大气污染,在不知不觉中侵蚀着人体的健康,轻者带来身体不适,重者引起癌症等恶性疾病。室内污染和车内空气污染,以装修建材和汽车内饰挥发的甲醛、苯等挥发性有机化合物(VOC)等为罪魁祸首,严重的污染会引起视线模糊、青少年记忆力下降、胎儿畸形、白血病等。

2014年8月,昆山一家金属制品工厂的抛光车间发生特别重大粉尘爆炸事件,造成上百人死亡。车间内气体、颗粒物浓度监控及管线泄露探测(如粉尘、氧气、一氧化碳、硫化氢、卤素气体、煤气、天然气等)对安生生产的重要性不言而喻。另外一个场景,医生或者医学研究者需要测量培养基增养的细菌样本的气体成本以及呼气气体中所包含的特定的体现病理情况的气体成分,为病情诊断提供确实可信的数据信息。

以上设置的场景,靠人体鼻子是无法精确识别出各种气体的存在及其含量的,而气体传感器却拥有人类“闻所未闻”的能力。集成气体传感器的气体探测设备已经应用于国防和工业安全,并形成了一个高度管制和成熟的市场。但是人类社会面临的空气质量问题,以及环境保护意识的不断增强,为气体传感器创造了新的应用和市场机会,如大气、室内和车内空气质量监测。

据麦姆斯咨询报道,一些新兴的气体传感器应用更是集成到智能手机、可穿戴设备和智能家居方面。比如霍尼韦尔(Honeywell)研发的微型真空泵可应用在各种移动设备上,可以闻出有毒化学品、花粉等任何物质与气味,内建在智能手机上帮助手机实现“嗅觉”的功能。台湾工研院开发省电又轻薄短小的酒测手表,只要对着酒测手表轻轻一吹,就可以马上测出酒精浓度,应酬喝酒可以自己检测,吹气显示绿灯才上路,不怕酒驾危险,造成公共危险。

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纷繁复杂的气体传感器技术

气体传感器应用范围广泛,不同的应用都拥有不同的技术要求,一般由被测气体类型、灵敏度、选择性、响应时间、寿命和功耗决定。从技术的角度分类,气体传感器主要可分为:半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、PID气体传感器、光化学型气体传感器、催化燃烧式传感器等。

半导体型气体传感器。

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来,半导体型气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器,根据其气敏机制又可以分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器,是一种用气敏材料(例如:SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2)等金属氧化物制成的阻抗器件。电阻式半导体气体传感器借助物质的吸附作用并引起表面化学反应和体原子价态的变化而导致半导体的电阻不同,从而识别不同的气体。由于气体的多样性,理论解释也难以统一,目前提出了表面电荷层模型、接触粒界势垒模型、能级生成理论模型、体原子价控制模型,但最广泛的是表面电荷层模型。气敏元件一般工作在空气中,其中氧气是强氧化性气体,极易在气敏材料表面进行物理和化学吸附。下图(a)和(b)分别所示物理吸附和化学吸附,室温下进行缓慢。当温度升高,O2-进一步转化为O-,如图(c)所示。O-活性很高,与吸附在气敏材料表面上的还原性气体离子基团(如C2H5OH)迅速反应,从而引起气敏材料电阻变化。电阻式半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高。

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非电阻式半导体气体传感器是利用一些物理效应与器件特性来检测气体,如二极管的电压-电流特性和场效应管(MOSFET)的阈值电压变化特性。主要检测氢和天然气等可燃性气体。其中,MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属接触发生反应,反应产物扩散到MOSFET的栅极,改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性,并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高,但制作工艺比较复杂,成本高。