傳感器在家用電器中的應(yīng)用

【專家解說】：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與報警。目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體(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, 是氣體檢測系統(tǒng)的核心, 通常安裝在探測頭內(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, 從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、分析、報警。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)化成對應(yīng)電信號的轉(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, 與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng), 引起以載流子運動為特征的電導(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, 半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍、最具有實用價值的一類氣體傳感器。根據(jù)檢測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、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點。不足之處是必須工作于高溫下、對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)探測氣體中混有硫化物時, 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)時間。它能降低被測氣體的化學(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CH4 的靈敏度, 而Ir 則降低了對CH4 的靈敏度; Pt, Au 提高了對H2 的靈敏度, 而Pd 則降低了對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。 非電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要包括MOS場效應(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電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù), 市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器, 近年來, 又開發(fā)了檢測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^測量電解時流過的電流來檢測氣體的體積分?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CO, NO, NO2, O2, SO2 等氣體外, 還能檢測血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電 解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早, 通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。電化學(xué)型氣體傳感器的主要優(yōu)點是靈敏度高、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產(chǎn)生離子, 從而形成電動勢, 測量電動勢從而測量氣體濃度。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。近年來國外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類: (1) 材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子相同的傳感器, 例如氧氣傳感器等。 (2) 材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子不相同的傳感器, 例如用于測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) 材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動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)晶體的同一個晶格中Ag 和Na 兩種原子的個數(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, 能檢測各種可燃性氣體。這種傳感器有時被稱為熱導(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)測和報警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定, 并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測。 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。若能測出這種光譜便可對氣體進(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檢測。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)度與待測氣體的濃度成線性關(guān)系, 熒光型氣體傳感器通過測試熒光強(qiáng)度便可測出氣體的濃度。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, 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)制等方法來檢測。例如: 涂在光纖上的鈀膜遇到H2 時就會膨脹, 氣體引起薄膜的膨脹可以通過測量干涉儀的輸出光的強(qiáng)度來測得。 1.6 高分子氣體傳感器 近年來, 國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、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特點, 在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。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量高分子氣敏材料的電阻來測量氣體的體積分?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)點是制作工藝簡單、成本低廉。但這種氣體傳感器要通過電聚合過程來激活, 既耗費時間, 又會引起各批次產(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形成濃差電池, 測量輸出的電動勢就可測量氣體體積分?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, 通過測量聲波的速度或頻率來測量氣體體積分?jǐn)?shù)。主要的氣敏材料有聚異丁烯、氟聚多元醇等, 用來測量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。其優(yōu)勢在于選擇性高、靈敏度高、有很寬的溫度穩(wěn)定性、對濕度響應(yīng)低和重復(fù)性好。SAW傳感器輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號, 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,實現(xiàn)微型化、集成化, 從而降低測量成本。 (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)被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時, 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氣體的濃度成正比。 高分子氣體傳感器, 對特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好, 結(jié)構(gòu)簡單, 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, 國內(nèi)外對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: 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、價格低廉等優(yōu)點。四是進(jìn)一步采用計算機(jī)技術(shù), 優(yōu)先發(fā)展MEMS 技術(shù), 實現(xiàn)氣體傳感器的智能化和發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器。納米、薄膜技術(shù)等新材料研制技術(shù)的成功應(yīng)用為氣體傳感器的集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、故障診斷技術(shù)、模糊理論、仿生技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)字式智能氣體傳感器將是該領(lǐng)域的重要研究方向。 2 氣體傳感器在空調(diào)機(jī)中的應(yīng)用 空調(diào)機(jī)運行時, 如果長時間不進(jìn)行自然通風(fēng), 由于空調(diào)機(jī)、電器、人及其它室內(nèi)污染源的影響, 室內(nèi)空氣品質(zhì)將會下降, 嚴(yán)重影響人的身心健康。為了實時檢測室內(nèi)空氣的污濁程度, 可以采用以SnO2 為主要成分的半導(dǎo)體氣體傳感器。 3 結(jié)語 隨著人們生活水平的日益提高和對生活環(huán)境的環(huán)保性、安全舒適性等要求的日益重視, 對各種有毒、有害氣體的探測, 對大氣污染、工業(yè)廢氣的檢測以及對人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提出了更高的要求。作為信號輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。氣體傳感器能夠?qū)崟r對各種氣體進(jìn)行檢測和分析, 具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。隨著微電子、微加工技術(shù)和自動化、智能化等技術(shù)的迅速發(fā)展,使得氣體傳感器的體積變小、價格低廉、使用方便, 因此它已廣泛應(yīng)用于軍事、交通、環(huán)保、質(zhì)檢、防偽、家居等領(lǐng)域。氣體傳感器應(yīng)用于空調(diào)機(jī), 可以實時檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量, 保證了人們在享受舒適的環(huán)境溫度的同時, 又避免了“空調(diào)綜合病”的發(fā)生。 參考文獻(xiàn) 1 潘小青, 劉慶成.氣體傳感器及其發(fā)展[J].東華理工學(xué)院學(xué)報, 2004, 3: 89- 93. 2 金篆芷. 現(xiàn)代傳感技術(shù). 北京: 電子工業(yè)出版社,1995.156- 197. 3 琚雪梅.紅外吸收型CO2 氣體傳感器的設(shè)計[J].傳感器技術(shù), 2005.24.9. 4 郭振華, 陳星等.氣體傳感器陣列測試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù), 2006, 2. 5 涂舫.商場空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)污染控制方法的分析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù), 2006, 2. 6 曹曄, 張光友等.有毒有害和可燃?xì)怏w的自動檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代儀器, 2001, 2: 41- 43. 7 劉錦淮, 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