甲醛氣體傳感器結構
1、 甲醛氣體傳感器的結構
甲醛氣體傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。其中敏感元件是用來感受甲醛氣體的元件，是傳感器的核心元件。轉(zhuǎn)換元件是將甲醛信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出電信號的元件。為轉(zhuǎn)化元件提供電能并輸出的電信號轉(zhuǎn)化成光信號、聲音信號或數(shù)字顯示信號的部分稱作測量電路。
敏感元件是用來感受甲醛氣體的元件，是甲醛氣體傳感器的核心，也是研究、設計、制作甲醛氣敏傳感器的關鍵[3]。轉(zhuǎn)化元件是解決甲醛信號向電信號的轉(zhuǎn)換，同時將不適于傳輸或測量的微弱電信號轉(zhuǎn)化為適于傳輸或測量的可用電信號。從材料物態(tài)上看，甲醛氣體傳感器可分為干式氣體傳感器和濕式氣體傳感器兩類。干式氣體傳感器構成氣體傳感器的材料為固體，有接觸燃燒式、半導體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式、導熱率變化式。濕式氣體傳感器是利用水溶液或者電解液來感知待測氣體，有極譜式和原電池式。本文主要研究的是干式氣體傳感器中的半導體式。從組裝結構上看，半導體式甲醛氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三部分組成。從制造工藝上看，半導體式氣體傳感器可分為燒結型、薄膜型和厚膜型和多層結構型四類
2、 甲醛氣體傳感器的材料
某些半導體材料在于某些氣體接觸后，電阻率發(fā)生變化，導致電阻發(fā)生變化，這樣的半導體我們稱之為半導體氣敏材料。顯然，用半導體氣敏材料可制造氣敏傳感元件。氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。對甲醛氣體敏感的金屬半導體材料有SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等。我們可選用這些半導體材料制造甲醛氣敏傳感器。因此，我們所制造的甲醛氣敏傳感器的敏感元件的制備便從上述半導體材料中選材。
按構成甲醛氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。半導體甲醛氣敏傳感器又按照半導體與氣體的相互作用是在其表面還是在內(nèi)部再分為表面控制型和體控制型兩類；按照半導體變化的物理性質(zhì)：又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導體甲醛氣敏元件是利用半導體接觸甲醛氣體時，其阻值的改變來檢測甲醛氣體的成分或濃度；非電阻型半導體甲醛氣敏元件是根據(jù)對甲醛氣體的吸附和反應，使其某些有關特性變化對甲醛氣體進行直接間接檢測。下表1是一些對氣體敏感的金屬半導體材料在特定條件下的特性介紹，只要改變工作溫度和摻雜物的濃度，代表性被測氣體就可變?yōu)榧兹怏w
3、甲醛氣敏傳感器的敏感機理
半導體材料有多電子的N型半導體和多空穴的P型半導體兩種，甲醛是還原性氣體。當甲醛吸附到N型半導體表面時，與材料發(fā)生氧化還原反應，由于甲醛是還原性氣體，在反應
中提供電子，N型半導體的載流子是電子，得到加權提供的電子后，載流子數(shù)目增多，相當于材料的電阻減小。當甲醛吸附到P型半導體表面時，同樣在材料表面發(fā)生氧化還原反應，甲醛依然提供電子，但P型半導體的載流子是帶正電的空穴，很多空穴和甲醛提供的電子中和，導致半導體材料的載流子數(shù)目減少，相當于使材料的電阻變大。半導體材料表面吸附甲醛后導致電阻變化，我們通過測量電路測定半導體材料的阻值變化引發(fā)的電路中電壓和電流的變化來衡量甲醛氣體的各項指標，這便是甲醛氣敏傳感器的敏感機理。
4、甲醛氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀
在人類發(fā)現(xiàn)半導體氣敏材料的氣敏特性后，相繼發(fā)明了許多甲醛氣敏傳感器，但成果并不理想。因此，近年來甲醛檢測儀的研究成了新熱點。下面，本文簡要介紹一下甲醛氣敏傳感器的開發(fā)現(xiàn)狀。
早在1983年，壓電類甲醛氣敏傳感器已經(jīng)制備成功，但容易受到水分子的影響而使晶體振動頻率發(fā)生漂移，根本就沒有實用性。
2000年到2008年期間，許多甲醛快速測定儀誕生，這些檢測儀操作方便并當場顯示，但這些檢測儀設計復雜、選材極多并要求很高，離普遍使用的要求尚有較大差距。例如：產(chǎn)于長春吉大小天鵝儀器有限公司的GDYQ系列甲醛測定儀，是通過甲醛與顯色劑反應生成藍綠色化合物對可見光有選擇性吸收而建立的比色分析法，并用微型高靈敏光度計檢測。又如，美國INTERSCAN公司的4160甲醛測定儀、英國PPM400手持式現(xiàn)場甲醛測定儀和日本XP-308和XP-308II型甲醛測定儀，原理基于電化學原理[6]，工作原理可用圖6解釋。發(fā)生的氧化還原反應:
工作電極： HCHO+H2O→CO2+4H++4e
對電極： O2+4H++4e→2H2O
總反應： HCHO+H2O→CO2+2H2O
上述的這些傳感器要么不實用，費用都很高。像使用電化學法、質(zhì)譜對比分析法、化學發(fā)光法和催化發(fā)光法等檢測法的費用非常高，不可能普及到普通家庭。目前，*有發(fā)展前景的是金屬氧化物半導體，因為金屬氧化物半導體是普通且廉價的氣敏材料。只要研制出以金屬氧化物半導體為材料的敏感元件，并消除其他因素的影響，則這將是目前*具有發(fā)展前景的新型氣敏元件。不過，甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氫、氨氣、酒精、液化氣、汽油等氣體都是還原性氣體，使半導體金屬氧化物都敏感，因而對甲醛氣體的檢測造成了干擾，但不同氣敏元件的干擾氣體不同，我們可采用復合摻雜的方法提高氣敏元件選擇性，要是摻雜物以及摻雜物的濃度搭配適當，也有可能消除各種干擾氣體。
1、 甲醛氣體傳感器的結構
甲醛氣體傳感器主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。其中敏感元件是用來感受甲醛氣體的元件，是傳感器的核心元件。轉(zhuǎn)換元件是將甲醛信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出電信號的元件。為轉(zhuǎn)化元件提供電能并輸出的電信號轉(zhuǎn)化成光信號、聲音信號或數(shù)字顯示信號的部分稱作測量電路。
敏感元件是用來感受甲醛氣體的元件，是甲醛氣體傳感器的核心，也是研究、設計、制作甲醛氣敏傳感器的關鍵[3]。轉(zhuǎn)化元件是解決甲醛信號向電信號的轉(zhuǎn)換，同時將不適于傳輸或測量的微弱電信號轉(zhuǎn)化為適于傳輸或測量的可用電信號。從材料物態(tài)上看，甲醛氣體傳感器可分為干式氣體傳感器和濕式氣體傳感器兩類。干式氣體傳感器構成氣體傳感器的材料為固體，有接觸燃燒式、半導體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式、導熱率變化式。濕式氣體傳感器是利用水溶液或者電解液來感知待測氣體，有極譜式和原電池式。本文主要研究的是干式氣體傳感器中的半導體式。從組裝結構上看，半導體式甲醛氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三部分組成。從制造工藝上看，半導體式氣體傳感器可分為燒結型、薄膜型和厚膜型和多層結構型四類
2、 甲醛氣體傳感器的材料
某些半導體材料在于某些氣體接觸后，電阻率發(fā)生變化，導致電阻發(fā)生變化，這樣的半導體我們稱之為半導體氣敏材料。顯然，用半導體氣敏材料可制造氣敏傳感元件。氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。對甲醛氣體敏感的金屬半導體材料有SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等。我們可選用這些半導體材料制造甲醛氣敏傳感器。因此，我們所制造的甲醛氣敏傳感器的敏感元件的制備便從上述半導體材料中選材。
按構成甲醛氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。半導體甲醛氣敏傳感器又按照半導體與氣體的相互作用是在其表面還是在內(nèi)部再分為表面控制型和體控制型兩類；按照半導體變化的物理性質(zhì)：又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導體甲醛氣敏元件是利用半導體接觸甲醛氣體時，其阻值的改變來檢測甲醛氣體的成分或濃度；非電阻型半導體甲醛氣敏元件是根據(jù)對甲醛氣體的吸附和反應，使其某些有關特性變化對甲醛氣體進行直接間接檢測。下表1是一些對氣體敏感的金屬半導體材料在特定條件下的特性介紹，只要改變工作溫度和摻雜物的濃度，代表性被測氣體就可變?yōu)榧兹怏w
3、甲醛氣敏傳感器的敏感機理
半導體材料有多電子的N型半導體和多空穴的P型半導體兩種，甲醛是還原性氣體。當甲醛吸附到N型半導體表面時，與材料發(fā)生氧化還原反應，由于甲醛是還原性氣體，在反應
中提供電子，N型半導體的載流子是電子，得到加權提供的電子后，載流子數(shù)目增多，相當于材料的電阻減小。當甲醛吸附到P型半導體表面時，同樣在材料表面發(fā)生氧化還原反應，甲醛依然提供電子，但P型半導體的載流子是帶正電的空穴，很多空穴和甲醛提供的電子中和，導致半導體材料的載流子數(shù)目減少，相當于使材料的電阻變大。半導體材料表面吸附甲醛后導致電阻變化，我們通過測量電路測定半導體材料的阻值變化引發(fā)的電路中電壓和電流的變化來衡量甲醛氣體的各項指標，這便是甲醛氣敏傳感器的敏感機理。
4、甲醛氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀
在人類發(fā)現(xiàn)半導體氣敏材料的氣敏特性后，相繼發(fā)明了許多甲醛氣敏傳感器，但成果并不理想。因此，近年來甲醛檢測儀的研究成了新熱點。下面，本文簡要介紹一下甲醛氣敏傳感器的開發(fā)現(xiàn)狀。
早在1983年，壓電類甲醛氣敏傳感器已經(jīng)制備成功，但容易受到水分子的影響而使晶體振動頻率發(fā)生漂移，根本就沒有實用性。
2000年到2008年期間，許多甲醛快速測定儀誕生，這些檢測儀操作方便并當場顯示，但這些檢測儀設計復雜、選材極多并要求很高，離普遍使用的要求尚有較大差距。例如：產(chǎn)于長春吉大小天鵝儀器有限公司的GDYQ系列甲醛測定儀，是通過甲醛與顯色劑反應生成藍綠色化合物對可見光有選擇性吸收而建立的比色分析法，并用微型高靈敏光度計檢測。又如，美國INTERSCAN公司的4160甲醛測定儀、英國PPM400手持式現(xiàn)場甲醛測定儀和日本XP-308和XP-308II型甲醛測定儀，原理基于電化學原理[6]，工作原理可用圖6解釋。發(fā)生的氧化還原反應:
工作電極： HCHO+H2O→CO2+4H++4e
對電極： O2+4H++4e→2H2O
總反應： HCHO+H2O→CO2+2H2O
上述的這些傳感器要么不實用，費用都很高。像使用電化學法、質(zhì)譜對比分析法、化學發(fā)光法和催化發(fā)光法等檢測法的費用非常高，不可能普及到普通家庭。目前，*有發(fā)展前景的是金屬氧化物半導體，因為金屬氧化物半導體是普通且廉價的氣敏材料。只要研制出以金屬氧化物半導體為材料的敏感元件，并消除其他因素的影響，則這將是目前*具有發(fā)展前景的新型氣敏元件。不過，甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氫、氨氣、酒精、液化氣、汽油等氣體都是還原性氣體，使半導體金屬氧化物都敏感，因而對甲醛氣體的檢測造成了干擾，但不同氣敏元件的干擾氣體不同，我們可采用復合摻雜的方法提高氣敏元件選擇性，要是摻雜物以及摻雜物的濃度搭配適當，也有可能消除各種干擾氣體。
公安機關備案號：
