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傳感器在家用電器中的應(yīng)用

: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-09-06

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氣體傳感器及其在空調(diào)機(jī)中的應(yīng)用 1 氣體傳感器國(guó)外從30 年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測(cè)與報(bào)警。目前需要檢測(cè)的氣體種類由原來(lái)的還原性氣體(H2、CH4 等) 擴(kuò)展到毒性氣體(CO、NO2、H2S、NO、NH3、PH3 等) 。氣體傳感器即氣體敏感元件, 它是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件, 是氣體檢測(cè)系統(tǒng)的核心, 通常安裝在探測(cè)頭內(nèi)。它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、分析、報(bào)警。從本質(zhì)上講, 氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類。按所用氣敏材料及氣敏特性的不同, 可分為半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、固體電解質(zhì)型、接觸燃燒型、光化學(xué)型、高分子型等。 1.1 半導(dǎo)體氣體傳感器這種傳感器采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物為氣敏材料, 與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng), 引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化。自從1962 年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來(lái), 半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍、最具有實(shí)用價(jià)值的一類氣體傳感器。根據(jù)檢測(cè)氣敏特征量方式的不同可分為電阻式和非電阻式兩種類型。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器, 是一種用金屬氧化物薄膜( 例如: SnO2,ZnO、Fe2O3, TiO2 等) 制成的阻抗器件, 其電阻隨著氣體含量的不同而變化。氣體分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器傳導(dǎo)率的變化。它具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下、對(duì)氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想、功率要求高。當(dāng)探測(cè)氣體中混有硫化物時(shí), 容易中毒?，F(xiàn)在除了傳統(tǒng)的SnO, SnO2 和Fe2O3 三大類外, 又研究開發(fā)了一批新型材料, 包括單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開發(fā),大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。另外, 通過在半導(dǎo)體內(nèi)添加Pt, Pd, Ir 等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。它能降低被測(cè)氣體的化學(xué)吸附的活化能,因而可以提高其靈敏度和加快反應(yīng)速度。催化劑不同, 導(dǎo)致有利于吸附的試樣不同, 從而具有選擇性。例如各種貴金屬對(duì)SnO2 為基體的半導(dǎo)體氣敏材料進(jìn)行摻雜, Pt, Pd,Au 提高了對(duì)CH4 的靈敏度, 而Ir 則降低了對(duì)CH4 的靈敏度; Pt, Au 提高了對(duì)H2 的靈敏度, 而Pd 則降低了對(duì)H2 的靈敏度。利用薄膜技術(shù)、超粒子薄膜技術(shù)制造的金屬氧化物氣體傳感器具有靈敏度高、一致性好、小型化、易集成等特點(diǎn)。非電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要包括MOS場(chǎng)效應(yīng)管型氣體傳感器和二極管型氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化, 主要檢測(cè)氫和硅烷等可燃性氣體。其中, MOSFET 氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC) 與催化金屬(如鈕) 接觸發(fā)生反應(yīng), 反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到MOSFET 的柵極, 改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而識(shí)別VOC。通過改變催化金屬的種類和膜厚可優(yōu)化其靈敏度和選擇性, 并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高, 但制作工藝比較復(fù)雜, 成本高。 1.2 電化學(xué)型氣體傳感器電化學(xué)型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測(cè)電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù), 市售的檢測(cè)缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器, 近年來(lái), 又開發(fā)了檢測(cè)酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^測(cè)量電解時(shí)流過的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。和原電池式不同的是, 它需要由外界施加特定電壓, 除了能檢測(cè)CO, NO, NO2, O2, SO2 等氣體外, 還能檢測(cè)血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過被測(cè)氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早, 通過測(cè)量離子極化電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。電化學(xué)型氣體傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、選擇性好。 1.3 固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作氣敏元件, 是一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。其原理是氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生離子, 從而形成電動(dòng)勢(shì), 測(cè)量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。從20 世紀(jì)70 年代開始, 固體電解質(zhì)氣體傳感器由于電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好,獲得了迅速的發(fā)展, 現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域, 其產(chǎn)量大、應(yīng)用廣, 僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。近年來(lái)國(guó)外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類: (1) 材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子相同的傳感器, 例如氧氣傳感器等。 (2) 材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子不相同的傳感器, 例如用于測(cè)量氧氣的由固體電解質(zhì)SrF2H 和Pt 電極組成的氣體傳感器。 (3) 材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器, 例如用于測(cè)量NO2 的由固體電解質(zhì)Ag0.4Na7.6 ( 表示在這種固態(tài)晶體的同一個(gè)晶格中Ag 和Na 兩種原子的個(gè)數(shù)比為0.4∶7.6) 和電極Ag- Au 制成的傳感器等。目前新近開發(fā)的高質(zhì)量固體電解質(zhì)傳感器絕大多數(shù)屬于第三類。 1.4 接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式, 其工作原理是氣敏材料( 如Pt 電熱絲等) 在通電狀態(tài)下, 可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒, 電熱絲由于燃燒而升溫, 從而使其電阻值發(fā)生變化。這種傳感器對(duì)不燃燒氣體不敏感, 例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh 和Pd 等制成的傳感器, 具有廣譜特性, 能檢測(cè)各種可燃性氣體。這種傳感器有時(shí)被稱為熱導(dǎo)性傳感器, 普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房等的可燃性氣體監(jiān)測(cè)和報(bào)警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定, 并能對(duì)處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。 1.5 光化學(xué)型氣體傳感器光化學(xué)型氣體傳感器主要以光譜吸收型為主。它的原理是: 不同的氣體由于其分子結(jié)構(gòu)不同、濃度不同和能量分布的差異而有各自不同的吸收光譜。這就決定了光譜吸收型氣體傳感器的選擇性、鑒別性和氣體濃度的唯一確定性。若能測(cè)出這種光譜便可對(duì)氣體進(jìn)行定性、定量的分析。目前已經(jīng)開發(fā)了流體切換式、流程直接測(cè)量式等多種在線紅外吸收式氣體傳感器。在汽車的尾氣中, CO、CO2 和烴類物質(zhì)的濃度以及工業(yè)燃燒鍋爐中的有害氣體SO2、NO2 都可采用光譜吸收型氣體傳感器來(lái)檢測(cè)。光化學(xué)型氣體傳感器還包括熒光型、光纖化學(xué)材料型等類型。氣體分子受光照射后處于激發(fā)狀態(tài), 在返回基態(tài)的過程中發(fā)出熒光。由于熒光強(qiáng)度與待測(cè)氣體的濃度成線性關(guān)系, 熒光型氣體傳感器通過測(cè)試熒光強(qiáng)度便可測(cè)出氣體的濃度。光纖化學(xué)材料型氣體傳感器是指在光纖的表面或端面涂一層特殊的化學(xué)材料, 而該材料與一種或幾種氣體接觸時(shí), 引起光纖的耦合度、反射系數(shù)、有效折射率等諸多性能參數(shù)的變化,這些參數(shù)又可以通過強(qiáng)度調(diào)制等方法來(lái)檢測(cè)。例如: 涂在光纖上的鈀膜遇到H2 時(shí)就會(huì)膨脹, 氣體引起薄膜的膨脹可以通過測(cè)量干涉儀的輸出光的強(qiáng)度來(lái)測(cè)得。 1.6 高分子氣體傳感器近年來(lái), 國(guó)外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進(jìn)展, 高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特點(diǎn), 在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)具有重要作用。高分子氣體傳感器根據(jù)氣敏特性主要可分為以下幾種: (1) 高分子電阻氣體傳感器。該類傳感器是通過測(cè)量高分子氣敏材料的電阻來(lái)測(cè)量氣體的體積分?jǐn)?shù), 目前的材料主要有歐菁聚合物、LB 膜、聚毗咯等。其主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。但這種氣體傳感器要通過電聚合過程來(lái)激活, 既耗費(fèi)時(shí)間, 又會(huì)引起各批次產(chǎn)品之間的性能差異。 (2) 濃差電池氣體傳感器。其工作原理是: 氣敏材料吸收氣體時(shí)形成濃差電池, 測(cè)量輸出的電動(dòng)勢(shì)就可測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù), 目前主要有聚乙烯醇- 磷酸等材料。 (3) 表面聲波(SAW) 氣體傳感器。這類傳感器制作在壓電材料的襯底上, 一端的表面為輸入傳感器, 另一端為輸出傳感器。兩者之間的區(qū)域沉積了能吸附VOC 的聚合物膜。被吸附的分子增加了傳感器的質(zhì)量, 使得聲波在材料表面上的傳播速度或頻率發(fā)生變化, 通過測(cè)量聲波的速度或頻率來(lái)測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。主要的氣敏材料有聚異丁烯、氟聚多元醇等, 用來(lái)測(cè)量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。其優(yōu)勢(shì)在于選擇性高、靈敏度高、有很寬的溫度穩(wěn)定性、對(duì)濕度響應(yīng)低和重復(fù)性好。SAW傳感器輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào), 因此可方便地與微處理器接口。此外, SAW傳感器采用半導(dǎo)體平面工藝, 易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)微型化、集成化, 從而降低測(cè)量成本。 (4) 石英諧振氣體傳感器。石英諧振式氣敏元件由石英基片、金電極和支架三部分組成。其電極上涂有一層氣體敏感膜, 當(dāng)被測(cè)氣體分子吸附在氣體敏感膜上時(shí), 敏感膜的質(zhì)量增加, 從而使石英振子的諧振頻率降低。諧振頻率的變化量與被測(cè)氣體的濃度成正比。高分子氣體傳感器, 對(duì)特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 可在常溫下使用, 補(bǔ)充了其他氣體傳感器的不足, 發(fā)展前景良好。 1.7 氣體傳感器的發(fā)展方向目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)新的氣敏材料和氣體傳感器的研究非?；钴S。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用, 氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化, 其主要研究和發(fā)展方向主要集中在以下幾點(diǎn): 一是開發(fā)新的氣敏材料。主要措施是在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體氣敏材料中摻雜一些元素。二是研制和開發(fā)復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料和高分子氣敏材料,使這些材料對(duì)不同氣體具有高靈敏度、高選擇性和高穩(wěn)定性。三是開發(fā)新的氣體傳感器。應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù), 對(duì)氣體傳感器的機(jī)理做進(jìn)一步的研究, 使傳感器更加微型化和多功能化, 并具有性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。四是進(jìn)一步采用計(jì)算機(jī)技術(shù), 優(yōu)先發(fā)展MEMS 技術(shù), 實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的智能化和發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器。納米、薄膜技術(shù)等新材: 回答者：網(wǎng)友

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