一氧化碳檢測(cè)儀的研究進(jìn)展

趙靜悅

【摘 要】一氧化碳傳感器日漸發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。本文介紹了幾種一氧化碳傳感器的工作原理，并對(duì)各種類型傳感器的研究進(jìn)展和工作機(jī)理以及敏感材料進(jìn)行了介紹。

【關(guān)鍵詞】一氧化碳；紅外吸收；傳感器

0.引言

一氧化碳其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，檢測(cè)儀在工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和日常生活等方面有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)出這些場(chǎng)合CO的濃度，對(duì)保障工業(yè)安全生產(chǎn)、提高人們生活質(zhì)量具有十分重要的意義。

1.幾種常見(jiàn)的檢測(cè)方法

對(duì)CO氣體檢測(cè)的適用方法有紅外吸收探測(cè)法、氣相色譜法、半導(dǎo)體法、電化學(xué)氣體傳感器檢測(cè)法等。

1.1紅外吸收探測(cè)法

理論與實(shí)踐研究證明，每一種氣體在紅外輻射波段都有一條或數(shù)條特征吸收光譜。當(dāng)紅外輻射通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，其分子吸收光能量，吸收關(guān)系遵循朗伯-貝爾（Lamber-Beer） 定律，當(dāng)氣體濃度很低或吸收層很薄時(shí)，被測(cè)氣體所吸收的光能量近似與氣體含量呈線性關(guān)系。CO氣體能吸收的紅外線波長(zhǎng)為2.37μm和4.65μm，而且對(duì)4.65μm的紅外線吸收能力最強(qiáng)。

1.2氣相色譜法

氣相色譜分析儀是由載氣源、流量控制器、進(jìn)樣裝置、色譜柱、檢測(cè)器、流量計(jì)、恒溫箱、信號(hào)衰減器及記錄儀等部件組成。當(dāng)一定量的氣樣在純凈的載氣（稱為流動(dòng)相）的攜帶下通過(guò)具有吸附性能的固體表面，或通過(guò)具有溶解性能的液體表面（這些固體和液體稱為固定相）時(shí)，由于固定相對(duì)流動(dòng)相所攜帶氣樣的各成分的吸附能力或溶解度不同，氣樣中各成分在流動(dòng)相和固定相中的分配情況是不同的，分配系數(shù)大的成分不易被流動(dòng)相所帶走，因而在固定相中停滯的時(shí)間較長(zhǎng)；相反，分配系數(shù)小的成分在固定相中停滯的時(shí)間較短。固定相是充填在一定長(zhǎng)度的色譜柱中，流動(dòng)相與固定相之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣樣中各成分在兩相中的分配在沿色譜柱長(zhǎng)度上反復(fù)進(jìn)行多次，使得即使分配系數(shù)只有微小差別的成分也能產(chǎn)生很大的分離效果，也就是能使不同成分完全分離。分離后的各成分按時(shí)間上的先后次序由流動(dòng)相帶出色譜柱，進(jìn)入檢測(cè)器檢出，并用記錄儀記錄下該成分的峰形，各成分的峰形在時(shí)間上的分布圖稱為色譜圖。

1.3半導(dǎo)體CO傳感器

半導(dǎo)體CO傳感器，通過(guò)溶膠—凝膠法獲得SnO2基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來(lái)測(cè)定氣體?，F(xiàn)國(guó)外有研究對(duì)SnO2基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器工作在220oC時(shí)，在SnO2中摻雜2%的Pt時(shí)，傳感器對(duì)CO具有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應(yīng)，使得CO傳感器對(duì)很多氣體如H2、CO2、H2O等都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對(duì)其他氣體的敏感度下降很多。

1.4電化學(xué)氣體傳感器

CO電化學(xué)氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學(xué)電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過(guò)渡金屬元素，這類元素具有空余的d、f電子軌道和多余的d、f電子，可在氧化還原的過(guò)程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物，具有較強(qiáng)的催化能力。又研制了一種新型的CO電化學(xué)式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對(duì)比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對(duì)CO具有顯著的電化學(xué)催化效應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好。

利用CO氣體近紅外吸收機(jī)理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣體傳感器，該儀器檢測(cè)靈敏度可達(dá)到0.2×10-6。另一種光學(xué)型傳感器是用溶膠—凝膠鹽酸催化法和超聲制得SiO2薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與CO反應(yīng)，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化。

2.新型傳感器工藝

在微電子和微機(jī)械迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，基于MEMS的新型微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器，主要有硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器和硅微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器是襯底為硅，敏感層為非硅材料的微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。主要有金屬氧化物半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)型、電容型、諧振器型。硅微結(jié)構(gòu)：主要是金屬氧化物-半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）型和鈀金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）二極管型。MEMS技術(shù)將傳感器與IC電路集成一起，而且精度高、體積小、質(zhì)量輕功耗低、選擇性高、穩(wěn)定型高，同種器件之間的互換型高，可以批量生產(chǎn)。所以是傳感器工藝的發(fā)展方向，而且基本所有的傳感器都可以用MEMS技術(shù)生產(chǎn)。

3.結(jié)語(yǔ)

目前CO檢測(cè)儀的發(fā)展方向是微小型化、集成化、智能化和多功能化，并且對(duì)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性、易維修性方面要求越來(lái)越高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)給一氧化碳傳感器的發(fā)展提供更廣闊的的前景。同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器陳列，也就是電子鼻集成成為可能，并將有很大的發(fā)展空間，給傳感器帶來(lái)新的發(fā)展篇章。 [科]