北京森馥科技有限公司
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閱讀：262發(fā)布時間：2022-1-24
隨著科技水平的發(fā)展，氣體檢測在污染源檢測、醫(yī)療衛(wèi)生、地震預(yù)報、礦井安全化工過程控制、石油勘探等傳統(tǒng)工業(yè)，乃至現(xiàn)在所有的新技術(shù)革命帶頭學(xué)科如新型材料、微電子學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域均有著越來越廣泛的應(yīng)用。目前檢測氣體的方法和手段已經(jīng)非常多了，主要包括電化學(xué)法、氣相色譜法、紅外吸收法、導(dǎo)熱法、半導(dǎo)體氣體傳感器檢測法。同時隨著人們生活水平的提高及社會發(fā)展，需要檢測的氣體種類也越來越多，由原來的還原性氣體（H2、C4H10、CH4等）擴展到毒性氣體（CO、NOX、H2S、NH3、O3等）以及與食品有關(guān)的氣體（魚品新鮮度的三甲胺、醋酸乙酯等），為了滿足這些要求，氣體檢測相關(guān)儀器必須具有較高的靈敏度和選擇性，重復(fù)性和穩(wěn)定性要高，而且能大批量生產(chǎn)，性價比要求高。而半導(dǎo)體氣體傳感器具有的靈敏度高、對信息感應(yīng)的速度較快、體積構(gòu)成較小、質(zhì)量要求較低等特點，在不同領(lǐng)域表現(xiàn)出了其應(yīng)用范圍的廣泛性。
半導(dǎo)體傳感器種類很多，按照原理的不同有氣敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、離子敏傳感器和色敏傳感器，其中氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多，性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，因此，能實現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多，按構(gòu)成氣敏傳感器的材料又可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類，目前實際使用多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。
半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時，產(chǎn)生氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。半導(dǎo)體氣敏傳感器可分為表面控制型和體控制型，表面控制型：半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；體控制型：半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。
當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力（氣體的吸附和滲透特性）時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如，氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或離子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體還有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。
當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體截流子減少，而使半導(dǎo)體電阻值增大。相反，當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則截流子增多，半導(dǎo)體電阻值下降。
由于空氣中的含氧量大體是恒定的，因此氧的吸附量是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏的響應(yīng)時間一般不超過1min，N型材料有二氧化錫（SnO2）、氧化鋅（ZnO）、氧化鈦（TiO）等，P型材料有二氧化鉬（MoO2）、三氧化鉻（CrO3）等。
氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，若工作條件較惡劣的情況下，氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會影響使用性能。因此，對氣敏元件要求：能長期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小。用半導(dǎo)體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、易爆、有毒有害等氣體的監(jiān)測、預(yù)報以及自動控制。
新西蘭空氣質(zhì)量監(jiān)測專家Aeroqual公司成立于2001年，一直致力于開拓相關(guān)空氣質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品、技術(shù)及市場領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用于50多個國家的多種環(huán)境下的空氣質(zhì)量監(jiān)測。Aeroqual在傳感器技術(shù)、制造及校驗領(lǐng)域具有深入及全面的專業(yè)技術(shù)，Aeroqual制造的GSS傳感器采用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）傳感原理，可測量O3、NO2、VOC，并自帶除氣器和過濾器，具有以下優(yōu)勢：
1、 探測下限低：三氧化鎢（WO3）材料粒徑很小，結(jié)構(gòu)松散，比表面積大，對氣體高度敏感，O3和NO2探測下限低至1ppb。
2、 選擇性好：通過在金屬氧化物材料中添加敏化劑，結(jié)合溫度控制，可實現(xiàn)對不同氣體的高選擇性。
3、 嚴(yán)控零點漂移：定期切換到調(diào)零氣路，高溫分解半導(dǎo)體表面殘余的被測氣體，消除零點漂移，24小時漂移在1ppb之內(nèi)。
4、 消除溫濕度影響：測量周期和調(diào)零周期均處于幾高溫下，從本質(zhì)上消除溫濕度影響。
5、 長期穩(wěn)定性高：僅在半導(dǎo)體表面發(fā)生反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)不變。
因此，美國環(huán)保總署EPA在其推出的《空氣傳感器指南》中推薦了使用Aeroqual的NO2和O3傳感器。
森馥科技空氣質(zhì)量事業(yè)部
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