基于共溅射ZnO/SnO_(2)异质结薄膜的气体传感器研究

采用射频磁控共溅射法在叉指电极上制备了ZnO/SnO_(2)n-n异质结复合薄膜,系统测试了其气敏特性,并分析了其气敏机理。结果表明,与ZnO薄膜和SnO_(2)薄膜气体传感器相比,ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器具有更低的工作温度、更高的灵敏度以及更快的响应和恢复速度。ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器对乙醇具有较好的选择性,最低检测体积分数为1×10^(-6),最佳工作温度为250℃;对1×10^(-4)乙醇气体的灵敏度可达18.4,响应时间和恢复时间分别为10 s和19 s。

基于MPSO-BP算法的四电极电化学气体传感器温度补偿研究

针对四电极电化学气体传感器的测量精度极易受环境温度影响的问题,提出一种基于粒子群优化BP神经网络算法(PSO-BP)的温度补偿方法。利用改进的PSO算法(MPSO)对BP神经网络的权值和阈值进行优化,构造四电极电化学气体传感器的温度补偿模型,并设计了气体传感器测试系统。实验结果表明,MPSO-BP算法可有效提高BP神经网络的收敛速度和泛化能力;基于MPSO-BP算法的四电极气体传感器温度补偿模型,可将温度补偿误差控制在0.1%以内。

基于LabVIEW的红外气体传感器自动批量标定测试系统

针对红外气体传感器在标定过程中存在效率低、工作量大、易出错等问题,设计了一种基于LabVIEW的红外气体传感器自动批量标定测试系统。系统由红外气体传感器、流量计、温湿度实验箱、采集板及上位机组成。采用LabVIEW编写软件程序,功能包括:参数设置、采集板和红外气体传感器的连通性测试、控制温箱和流量计实现定时保温和定时通入比例气体、采集红外气体传感器数据、自动标定、自动处理数据等。该软件编程采用多线程,保证各项功能同时进行,具有界面美观、运行速度快、稳定性强、可靠性高的优点。标定测试结果显示:系统结构紧凑,运行稳定且操作简单,该系统可高效并广泛应用在实际生活中的大批量红外传感器自动标定。

基于纳米WO_(3)半导体材料的H_(2)气体传感器的研究现状

【目的】梳理对氢气气体响应快、灵敏度高的气体传感器研究现状,为研究高灵敏度、高选择性、易制备的H2气体传感器提供思路。【研究现状】纳米WO_(3)材料作为N型半导体,具有宽带隙、热稳定性高、易合成等优点,广泛应用于气体传感器领域;WO_(3)基氢气传感器发展迅速,综述近年来国内外WO_(3)基氢气传感器的研究成果,概括WO_(3)材料氢气传感器制备技术、形貌特征、气敏性能的研究成果,总结上述成果的优势与现阶段的局限性;WO_(3)纳米材料由于独特的结构特性,存在多种提高其性能的方式,包括形貌控制、异质结构筑、贵金属掺杂;重点阐述WO_(3)纳米材料不同调整修饰技术的基本原理。【展望】WO_(3)基氢气传感器的发展势头较好,提升性能的方式灵活多样,制备出的传感器气敏性能优异,WO_(3)基氢气传感器在未来具有深厚的发展潜力。

金属氧化物半导体MEMS气体传感器研究进展

随着物联网的快速发展,各领域对气体监测的需求越来越大,基于先进微机电系统(Micro-electro-mechanical systems, MEMS)技术的金属氧化物半导体(Metal oxide semiconductor, MOS)气体传感器在过去几十年里取得了很大发展。MEMS微热板的多样化设计、MOSs纳米结构的多样化以及机器学习算法的出现为MEMS的传感性能以及智能传感系统的构建提供了很大助力。本文从MEMS气体传感器的分类、制备和应用以及传感器阵列的构建等方面综述了金属氧化物半导体MEMS气体传感器的最新研究进展,并对MEMS基气体传感器的发展前景进行了总结和展望。

基于COA-GRU的低成本气体传感器数据修正方法

针对低成本气体传感器在受到温度、湿度、压力、气体交叉干扰等影响时检测精度低的问题,提出了一种长鼻浣熊-门控循环单元神经网络(COA-GRU)的修正模型,用于提高传感器检测精度。首先,根据低成本传感器的非线性特性构建了GRU修正模型;其次,利用COA算法解决修正模型的多局部极值以及参数组合寻优问题;最后,利用低成本传感器组以及H200D气体检测装置的实测数据对该方法进行了仿真实验。结果表明,使用COA-GRU修正模型后,SO_(2)、CO、NO_(2)、CO_(2)传感器的平均绝对误差分别降低了72.0%、28.4%、29.6%、13.5%,能够有效提高低成本传感器的检测精度。

用于低浓度H_(2)S室温稳定监测的CsPbBr_(3)@TiO_(2)异质结微晶气体传感器

通过简单的溶液法用TiO(Acac)_(2)原位包覆CsPbBr_(3)全无机钙钛矿材料,在400℃加热后直接制成了CsPbBr_(3)@TiO_(2)核壳结构微晶,使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电子显微镜(HRTEM)及X射线光电子能谱(XPS)对CsPbBr_(3)@TiO_(2)微晶的晶体结构、微观形貌、化学组成进行表征。结果表明,原位金属氧化物包覆钙钛矿形成分散良好、大小为4~8μm的球壳结构。用旋涂法在掺氟氧化锡(FTO)电极上构筑了CsPbBr_(3)@TiO_(2)薄膜气体传感器,在室温下测试其对H_(2)S气体的检测灵敏度,结果发现,该传感器对H_(2)S气体的检测下限达25 ppb(1 ppb=10-9),对100 ppb H_(2)S响应/恢复时间为24/21 s,灵敏度为0.59,响应曲线具有良好的循环稳定性。另外,传感器暴露在空气中30 d内的稳定性高于90%,且具有优异的气体选择性和抗湿度干扰性。通过光致发光(PL)光谱、时间分辨光致发光(TRPL)光谱、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)及紫外光电子能谱(UPS)测试分析了其能带位置、电荷动力学和配位机理,并用氧吸附原理对其传感机理进行了解释。该工作为室温下低浓度H_(2)S气体的稳定监测提供了一种新的思路。

基于生物质衍生α-Fe_(2)O_(3)的丙酮气体传感器实验研究

研制具有高灵敏度、低检测限的丙酮气体传感器对于工业生产安全和人体疾病诊断具有重要意义。本文以生物质脱脂棉为模板,采用金属盐溶液浸泡法和空气中煅烧处理相结合的策略制备了α-Fe_(2)O_(3)微米管,然后采用X射线衍射仪、热重分析仪、扫描电子显微镜(SEM)对α-Fe_(2)O_(3)的物相组成与表面形貌进行表征。所制备的α-Fe_(2)O_(3)传感器表现出优异的丙酮传感性能,包括高响应(192.51%@20×10^(-6)),低检测限(1×10^(-6)),优异的重复性和选择性,并分析传感器的敏感机制。该工作不仅为多孔金属氧化物材料的简便设计提供了方案,而且在构建用于高性能丙酮气体检测系统方面具有应用潜力。

NO_(2)气体传感器的研究现状

二氧化氮(NO_(2))气体是空气中的主要污染物之一,严重危害生态环境和人体健康。因此,开发高气敏性和选择性的NO_(2)气体传感器对空气中NO_(2)体积分数的检测显得尤为重要。综述了近年来NO_(2)气体传感器的研究现状,重点对石墨烯、金属氧化物、碳纳米管和聚合物4种类型的NO_(2)气体传感器敏感材料进行了阐述,讨论了NO_(2)气体传感器的制备方法和敏感材料的气敏性,同时指出了传感器存在的问题。

基于GaN纳米薄膜的室温三甲胺气体传感器

三甲胺在实验室和工业生产中被广泛使用,由于其具有毒性和挥发性,开发能够在室温下对其进行检测的传感器尤为重要。采用气喷旋涂和高温氮化的方法制备出GaN纳米薄膜,再利用磁控溅射仪对薄膜的两端溅射覆盖一层金作为电极制作成气体传感器单元并进行了一系列气敏测试。在室温条件下,GaN纳米薄膜传感器对10ppm三甲胺的响应值为2.54,响应/恢复时间分别为41 s和139 s,检测下限为1ppm。传感器在1ppm~50ppm三甲胺浓度范围内也呈现出良好的线性响应,并具有优异的重复性、稳定性和选择性。GaN纳米薄膜传感器的表面堆积覆盖有许多的纳米颗粒,形成的独特结构有利于气体分子的吸附。纳米薄膜表面存在大量的化学吸附氧,使得传感器对三甲胺展现出良好的传感性能。

微波法制备金属氧化物纳米材料气体传感器研究进展

微波法具有反应时间短、热量分布均匀、反应温度低、控制精确、抑制副反应、操作简单等优点。介绍了微波法的作用机理,综述了微波法在金属氧化物纳米材料气体传感器制备中的研究进展,总结了各种微波法的优点,并指出了微波法制备金属氧化物纳米材料气体传感器实现商业化生产面临的问题。

同轴静电纺丝法制备气体传感器的研究进展

近几十年来同轴静电纺丝法的发展取得了巨大进展。介绍了同轴静电纺丝法原理、工艺和参数,综述了同轴静电纺丝法在金属氧化物气体传感器制备方面的研究进展,并对同轴静电纺丝法在制备金属氧化物纳米材料气体传感器领域应用的发展趋势进行了展望。

针对半导体气体传感器的电信号采集装置

针对半导体气体传感器对环境敏感、电阻跨度大的特性,设计了一种针对半导体气体传感器灵敏度高、体积小、适用性广的电信号采集装置。采用多档位分压法实现对欧姆(Ω)至吉欧姆(GΩ)范围的电阻测量,通过滤波与温湿度补偿消除物理、温湿度干扰;同时装置具有本地报警、上位机报警、气室等设计。本文装置实现了半导体气体传感器的精确测量,同时设计集成电路,将传感器封装为可实际应用系统,采用国产EDA与核心芯片设计,有效填补了该领域的空白。

基于MOS的CO气体传感器研究进展

实现对一氧化碳(CO)气体的现场快速监测对公众的健康有重要意义。与传统CO检测方法相比,基于金属氧化物半导体(MOS)的气体传感器具有制作方法简单、操作方便、传感性能优越和可实时监测等优点,被广泛地应用于有毒有害气体的检测。本文介绍了基于MOS材料的CO气体传感器件的传感机理及其研究现状,结合国内外的研究进展,综述了基于MOS的CO传感器传感性能的改善方法,并展望了MOS基CO气体传感器的发展方向。

Au修饰SnO_(2)薄膜兼容型高响应乙炔气体传感器研制

为了实现变压器油中溶解的乙炔气体检测,研发了一款基于Au修饰SnO_(2)气敏薄膜的乙炔气体传感器。通过射频溅射制备SnO_(2)薄膜,进而通过直流溅射制备Au并改变溅射时间,得到不同Au修饰量的气敏薄膜,采用微机电系统(MEMS)工艺开发了基于气敏薄膜的乙炔气体传感芯片。对比纯SnO_(2)以及不同Au修饰量的SnO_(2)气敏薄膜的气敏性能,结果显示,基于20 s-Au修饰的SnO_(2)薄膜MEMS乙炔传感器性能最佳,最佳工作温度为200℃,体积分数为1×10^(-6)的乙炔气体的响应值高达14,响应恢复时间分别为5 s和87 s,且具有良好的重复性,检测限低至0.1×10^(-6)(体积分数)。对比测试体积分数为1×10^(-6)下变压器油中溶解的氢气、甲烷等其他气体,所研发的MEMS乙炔气体传感器仍具有优越的选择性,在长期测试下保持良好稳定性,可为解决变压器油中溶解乙炔气体的检测难题提供一种元件选择。

基于Nb掺杂Co_(3)O_(4)的高性能对二甲苯气体传感器

p型Co_(3)O_(4)具有优异的挥发性有机化合物(VOC)催化氧化活性,但其在空气中呈现空穴累积层(HAL)构型,导致本征Co_(3)O_(4)传感器的VOC响应较弱。利用共沉淀法合成了0~5%Nb掺杂的Co_(3)O_(4)纳米材料,缺陷与形貌表征结果表明高价Nb掺杂剂可诱导p型Co_(3)O_(4)发生晶格畸变及形貌改变,为对二甲苯气敏特性的提升发挥了重要作用。气敏测试结果表明:在最佳工作温度150℃下,3%Nb-Co_(3)O_(4)传感器对体积分数为100×10^(-6)的对二甲苯的响应从1.3(纯Co_(3)O_(4))提高到14;其选择性也得到了改善,可通过线性判别分析(LDA)准确识别9种不同气体。在为期15 d的稳定性测试中,其性能未有明显衰减。3%Nb-Co_(3)O_(4)表现出优异的对二甲苯传感器特性,为高性能p型金属氧化物半导体VOC传感器的设计提供了参考。

SF_(6)分解组分的气体传感器检测方法综述

填充六氟化硫(SF_(6))的电气设备内部存在绝缘缺陷时可能发生过热或放电,迫使SF_(6)分解产生一些特定的气体副产物。通过检测这些副产物的种类和浓度,可以判断电气设备中是否存在绝缘缺陷以及缺陷的类型和严重程度。气体传感器作为气体检测的重要工具,在绝缘缺陷的气体检测法中受到了越来越多的关注。本文重点回顾了使用气体传感器检测SF_(6)分解产物的方法,介绍了SF_(6)解离过程和特征气体的生成路径,详细阐述了用于SF_(6)分解特征气体检测的传感器气敏原理和优缺点;重点讨论了利用特征气体信息诊断绝缘缺陷的算法,并展望了通过传感器检测气体分解组分方法诊断绝缘缺陷的发展方向。

检测多种VOCs的高选择性MEMS气体传感器阵列构建与优化

针对挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)快速准确检测与识别需求,首先制备了贵金属Pt、Ru和Pd负载的SnO2纳米颗粒,以及稀土元素Ce掺杂的In2O3纳米结构等四种高性能的气敏材料。基于微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)微热板,通过点胶法组装成微型化、低功耗的气体传感器,并构建材料和工作温度不同的多通道气体传感器阵列。然后对甲苯、丙酮、甲醇、乙酸乙酯和乙醇五种VOCs气体进行了气敏特性测试,采用Wilks’Λ统计量方法对传感器进行特征选择和阵列优化。对比了不同传感器组合时线性判别分析(linear discrimination analysis,LDA)对气体种类的识别效果,最后确定材料、温度优化的11个传感器形成最优阵列,作为判别指标的轮廓系数从0.597提升至0.965,对5种气体的识别能力显著提高。本文基于材料和温度对气敏选择性的影响,构建多通道MEMS传感器阵列,为实际应用中多种VOCs的检测与识别提供了依据与支撑。

新型氧化锌薄膜乙烷气体传感器在油浸式变压器中的应用

在大型油浸式电力变压器的健康管理中,变压器油中溶解气体的精准检测技术发挥非常重要的作用,尤其是在早期发现潜在故障方面。该技术可以更好地保证变压器绝缘性能的稳定性。其中,气体传感器在整个技术体系中发挥实时监管的作用,是该检测的技术核心。旨在探索一种全新的水热法工艺,结合高质量的金属氧化锌(ZnO)薄膜材料,同时运用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)2种专业分析技术,对ZnO薄膜的微观形态及其晶体结构进行全面分析。凸显所制备材料在基础性能方面的优异性,并为后续实验工作的开展做好充足准备。

双通道离轴石英增强光声光谱气体传感器

为了消除杂散光激励石英音叉产生的光热信号对气体检测性能的影响,采用离轴配置谐振管,将两只中央开有槽口的谐振管平行于音叉正面放置在两侧,从而实现了探测光束与石英音叉的隔离,同时降低了系统组装和光路调整的复杂度。将光纤准直器、谐振管、石英音叉、直角棱镜和不锈钢气室进行集成,研制了一种尺寸仅为5.4 cm×4.0 cm×1.5 cm的光声检测模块,在此基础上,建立了一种光声光谱气体检测系统,采用中心波长为1533 nm的分布反馈激光器,通过检测乙炔气体来评估系统性能。实验结果表明,光声信号与气体浓度之间呈现良好的线性-关系,线性拟合优度为0.991。系统的1σ检测下限和对应归一化噪声等效吸收系数分别为11.6×10^(-6)和6.7×10^(-9)W·cm^(-1)·Hz^(-1/2)。对系统的Allan方差分析结果表明,当平均时间为0.5 s时,系统的检测下限为10.22×10^(-6),当平均时间为50 s时,系统检测下限可以达到1.20×10^(-6)。所研制的微小型双通道离轴石英增强光声光谱传感器系统具有体积小、价格低廉、灵敏度高等优点,有利于实现便携式气体检测。