甲醛氣體傳感器結(jié)構(gòu)
1、 甲醛氣體傳感器的結(jié)構(gòu)
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(shè)計、制作甲醛氣敏傳感器的關(guān)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(gòu)成氣體傳感器的材料為固體，有接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式、導(dǎo)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(dǎo)體式。從組裝結(jié)構(gòu)上看，半導(dǎo)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(dǎo)體式氣體傳感器可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型和多層結(jié)構(gòu)型四類
2、 甲醛氣體傳感器的材料
某些半導(dǎo)體材料在于某些氣體接觸后，電阻率發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，這樣的半導(dǎo)體我們稱之為半導(dǎo)體氣敏材料。顯然，用半導(dǎo)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(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)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(dǎo)體材料有SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等。我們可選用這些半導(dǎo)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(dǎo)體材料中選材。
按構(gòu)成甲醛氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體甲醛氣敏傳感器又按照半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體甲醛氣敏元件是利用半導(dǎo)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(dǎo)體甲醛氣敏元件是根據(jù)對甲醛氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性變化對甲醛氣體進(jìn)行直接間接檢測。下表1是一些對氣體敏感的金屬半導(dǎo)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(jī)理
半導(dǎo)體材料有多電子的N型半導(dǎo)體和多空穴的P型半導(dǎo)體兩種，甲醛是還原性氣體。當(dāng)甲醛吸附到N型半導(dǎo)體表面時，與材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于甲醛是還原性氣體，在反應(yīng)
中提供電子，N型半導(dǎo)體的載流子是電子，得到加權(quán)提供的電子后，載流子數(shù)目增多，相當(dāng)于材料的電阻減小。當(dāng)甲醛吸附到P型半導(dǎo)體表面時，同樣在材料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，甲醛依然提供電子，但P型半導(dǎo)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(dǎo)致半導(dǎo)體材料的載流子數(shù)目減少，相當(dāng)于使材料的電阻變大。半導(dǎo)體材料表面吸附甲醛后導(dǎo)致電阻變化，我們通過測量電路測定半導(dǎo)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(biāo)，這便是甲醛氣敏傳感器的敏感機(jī)理。
4、甲醛氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀
在人類發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)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(diǎn)。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(dāng)場顯示，但這些檢測儀設(shè)計復(fù)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(yīng)生成藍(lán)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(xué)原理[6]，工作原理可用圖6解釋。發(fā)生的氧化還原反應(yīng):
工作電極： HCHO+H2O→CO2+4H++4e
對電極： O2+4H++4e→2H2O
總反應(yīng)： HCHO+H2O→CO2+2H2O
上述的這些傳感器要么不實用，費(fèi)用都很高。像使用電化學(xué)法、質(zhì)譜對比分析法、化學(xué)發(fā)光法和催化發(fā)光法等檢測法的費(fèi)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(dǎo)體，因為金屬氧化物半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dāng)，也有可能消除各種干擾氣體。
1、 甲醛氣體傳感器的結(jié)構(gòu)
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(shè)計、制作甲醛氣敏傳感器的關(guān)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(gòu)成氣體傳感器的材料為固體，有接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式、導(dǎo)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(dǎo)體式。從組裝結(jié)構(gòu)上看，半導(dǎo)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(dǎo)體式氣體傳感器可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型和多層結(jié)構(gòu)型四類
2、 甲醛氣體傳感器的材料
某些半導(dǎo)體材料在于某些氣體接觸后，電阻率發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，這樣的半導(dǎo)體我們稱之為半導(dǎo)體氣敏材料。顯然，用半導(dǎo)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(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)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(dǎo)體材料有SnO2、ZnO、MgO、TiO3、Fe2O3、WO3、Al2O3等。我們可選用這些半導(dǎo)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(dǎo)體材料中選材。
按構(gòu)成甲醛氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體甲醛氣敏傳感器又按照半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體甲醛氣敏元件是利用半導(dǎo)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(dǎo)體甲醛氣敏元件是根據(jù)對甲醛氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性變化對甲醛氣體進(jìn)行直接間接檢測。下表1是一些對氣體敏感的金屬半導(dǎo)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(jī)理
半導(dǎo)體材料有多電子的N型半導(dǎo)體和多空穴的P型半導(dǎo)體兩種，甲醛是還原性氣體。當(dāng)甲醛吸附到N型半導(dǎo)體表面時，與材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于甲醛是還原性氣體，在反應(yīng)
中提供電子，N型半導(dǎo)體的載流子是電子，得到加權(quán)提供的電子后，載流子數(shù)目增多，相當(dāng)于材料的電阻減小。當(dāng)甲醛吸附到P型半導(dǎo)體表面時，同樣在材料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，甲醛依然提供電子，但P型半導(dǎo)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(dǎo)致半導(dǎo)體材料的載流子數(shù)目減少，相當(dāng)于使材料的電阻變大。半導(dǎo)體材料表面吸附甲醛后導(dǎo)致電阻變化，我們通過測量電路測定半導(dǎo)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(biāo)，這便是甲醛氣敏傳感器的敏感機(jī)理。
4、甲醛氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀
在人類發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)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(diǎn)。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(dāng)場顯示，但這些檢測儀設(shè)計復(fù)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(yīng)生成藍(lán)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(xué)原理[6]，工作原理可用圖6解釋。發(fā)生的氧化還原反應(yīng):
工作電極： HCHO+H2O→CO2+4H++4e
對電極： O2+4H++4e→2H2O
總反應(yīng)： HCHO+H2O→CO2+2H2O
上述的這些傳感器要么不實用，費(fèi)用都很高。像使用電化學(xué)法、質(zhì)譜對比分析法、化學(xué)發(fā)光法和催化發(fā)光法等檢測法的費(fèi)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(dǎo)體，因為金屬氧化物半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dāng)，也有可能消除各種干擾氣體。
公安機(jī)關(guān)備案號：
