采用电导型气敏传感器的电子鼻系统介绍

电导型气敏传感器

电导型气敏传感器,包括金属氧化物半导体电导型气敏传感器和有机聚合物膜电导型气敏传感器。

金属氧化物电导型气敏传感器(MOS)由于制备简单、价格便宜、灵敏度高等,已成为电子鼻系统研制最常用的传感器。金属氧化物如 SnO₂、ZnO、Fe₂O₃ 和 WO₃ 等属于 N 型半导体材料,其敏感膜表面存在大量空穴,在300～500℃时,易被 H₂、CO、CH₄ 和 H₂S 等还原性气体还原,敏感膜得到电子,使电导率发生改变。对于某种特定气体,电导率的变化量和气体浓度相关。为了降低金属氧化物气敏传感器的工作温度,增加灵敏度,制备过程中常在金属氧化物敏感材料中掺杂铂、金、钯等贵金属。目前,MOS 传感器的制作工艺已经十分成熟,产品的商业化程度很高。

有机聚合物膜电导型气敏传感器是通过掺杂等手段,使聚合物的电导率介于半导体和导体之间,再利用此种掺杂聚合物与气体分子作用时其电导率会发生变化的特征制成的。这类具有电化学特性的聚合物材料,在吸附气体后,会产生聚合物链的溶胀或发生某种化学反应,这将影响聚合物分子链的电子密度,进而导致气敏材料电导率的改变,其电导率的变化与被测物的种类及浓度有关,因此,可以用于检测气体的种类和浓度。有机聚合物膜电导型气敏传感器常用于大气环境中气体的检测,包括 NH₃、CO₂、SO₂、H₂S 等气体,同时也用于有机溶剂蒸气的检测,主要包括醇类(甲醇、乙醇、丙醇、丁醇)、芳香烃(苯、甲苯、乙苯和苯乙烯等)、卤代烃类(卤代甲烷)、丙酮。其检测浓度最低可达10^-5。

有机聚合物膜电导型气敏传感器在使用过程中有以下优点:具有高的灵敏度,其灵敏程度优于金属氧化物传感器;不需要加热,在常温下即可工作;体积较小,有利于制作便携式电子鼻;不会对硫化物中毒。但同时也存在很多问题,比如制作工艺比较费时;聚合物的电导率受制备工艺的影响很大;在与检测气体作用时存在漂移现象;对湿度比较敏感;此外,由于对极性强的气体较敏感,对极性弱的气体敏感性低,其检测范围有一定的局限性。有机聚合物膜电导型气敏传感器的响应机制比较复杂,一定程度上制约了它的应用推广,可通过掺杂等研究对有机聚合物膜电导型气敏传感器的缺点进行弥补。