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該傳感器的靈敏度范圍為5~50ppm。金屬氧化物傳感器的缺點(diǎn)是:(1)工作溫度較高;(2)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作之后,響應(yīng)基準(zhǔn)值易發(fā)生漂移29048704,需要利用信號(hào)處理運(yùn)算來(lái)克服;(3)對(duì)氣體混合物中出現(xiàn)的硫化物呈“中毒”反應(yīng)。但是,它有很寬的適用范圍和相對(duì)低的成本,故依然成為當(dāng)今廣泛應(yīng)用的氣體傳感器。
導(dǎo)電聚合物傳感器中,與VOC接觸的活性材料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物,當(dāng)氣體分子與上述聚合物材料接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電離或共價(jià)作用,這種相互作用影響了電子沿聚合物鏈的傳輸,即改變了導(dǎo)電性。在聚合物材料中,利用顯微組構(gòu)技術(shù)形成兩條間隔10~20μm的電極,通過(guò)在兩電極之間施加交變電壓來(lái)使聚合物電聚合化,改變電壓掃描速率,并應(yīng)用一系列聚合物前體就可產(chǎn)生各種各樣的活性材料,使不同的材料分別對(duì)不同的氣體呈特定響應(yīng)。導(dǎo)電聚合物傳感器在一般環(huán)境溫度下工作而無(wú)需加熱,因此更容易制造,其電子界面更為直接,從而在便攜式儀器應(yīng)用中有更大優(yōu)勢(shì)。這種傳感器探測(cè)氣味的靈敏度可達(dá)到0.1ppm,比金屬氧化物傳感器更高,但一般在10~100ppm范圍之內(nèi)。目前導(dǎo)電聚合物傳感器的主要缺陷是:(1)活性材料電聚合過(guò)程較為困難和費(fèi)時(shí);(2)與VOC接觸響應(yīng)存在隨時(shí)間發(fā)生飄移的現(xiàn)象;(3)對(duì)濕度極為敏感,這種敏感性易掩蓋和干擾對(duì)VOC的正常響應(yīng)。另外,某些氣體會(huì)穿透聚合物材料整體,從而減慢了將VOC從聚合物中去除的過(guò)程,即延緩了傳感器的恢復(fù)時(shí)間。
壓電類(lèi)傳感器的基本特點(diǎn)是,與VOC的接觸響應(yīng)形式體現(xiàn)為頻率的變化。它又分為石英晶體微量天平(QCM)傳感器和聲表面波(SAW)傳感器兩種。壓電類(lèi)傳感器既可以測(cè)量溫度和質(zhì)量的變化,又可測(cè)量壓力、力和加速度等參數(shù),但在電子鼻系統(tǒng)中,它們一般只作為質(zhì)變量傳感探測(cè)器使用。QCM傳感器是一個(gè)幾毫米直徑的諧振盤(pán),盤(pán)面敷有聚合物材料,每面有一個(gè)與導(dǎo)線相連的金屬電極,結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)該傳感器受振蕩信號(hào)激勵(lì)時(shí),便諧振于特征頻率(10Hz~30MHz),而一旦氣體分子被吸收到聚合物涂層表面,就增加了該盤(pán)的質(zhì)量,因此降低了諧振頻率,諧振頻率的高低與所吸收的氣體分子質(zhì)量成反比。QCM傳感器對(duì)不同氣體的響應(yīng)、選擇性可通過(guò)調(diào)整諧振盤(pán)聚合物涂層來(lái)改變,而減小石英晶體的尺寸和質(zhì)量,并減小聚合物涂層的厚度,則可進(jìn)一步縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。
聲表面波(SAW)傳感器與QCM傳感器的主要區(qū)別為:(1)瑞利波是經(jīng)SAW的表面運(yùn)行,不是像QCM一樣通過(guò)其體內(nèi);(2)SAW傳感器工作頻率更高,因此可產(chǎn)生更大的頻率變化。QCM的典型工作頻率僅是10MHz,而SAW器件則在幾百M(fèi)Hz;(4)由于SAW是平面器件,所以可用微電子工業(yè)普遍采用的光刻技術(shù)來(lái)制造,而不像QCM那樣需要微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)進(jìn)行三維處理,因此批量生產(chǎn)的成本更低。但是,SAW傳感器的信噪比遜于QCM傳感器,因此在許多情況下,前者的靈敏度要低于后者。
電子鼻傳感器的第三大類(lèi)是金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管傳感器(MOSFET)。其工作原理是:VOC與催化金屬材料相接觸所生成的反應(yīng)產(chǎn)物(如氫)會(huì)擴(kuò)散通過(guò)MOSFET的控制極來(lái)改變器件的導(dǎo)電物性。如圖3所示,典型的MOSFET結(jié)構(gòu)有一個(gè)P型襯底和在襯底上擴(kuò)散的兩個(gè)摻雜濃度很高的N型區(qū),兩個(gè)N區(qū)的金屬觸點(diǎn)分別稱(chēng)為源極和漏極。器件的靈敏度和選擇性可通過(guò)改變金屬接觸劑的類(lèi)型和厚度以及改變工作溫度來(lái)改變。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)之一是可依托IC制造工藝,批量生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定,主要問(wèn)題是接觸反應(yīng)產(chǎn)物(如氫)必須滲入催化金屬涂層來(lái)影響溝道中的電荷,這就對(duì)芯片的密閉封裝方式提出了更苛刻的要求。MOSFET與導(dǎo)電性傳感器一樣,也存在基準(zhǔn)值漂移問(wèn)題。
第四類(lèi)實(shí)用的氣味傳感器是光纖傳感器。它對(duì)氣體化合物的響應(yīng)形式是光譜色彩發(fā)生變化。如圖4所示,這種傳感器的主干部分是玻璃纖維,在玻璃纖維的各面敷有很薄的化學(xué)活性材料涂層。化學(xué)活性材料涂層是固定在有機(jī)聚合物矩陣中的熒光染料,當(dāng)與VOC接觸時(shí),來(lái)自外部光源的單頻或窄頻帶光脈沖沿光纖傳播并激勵(lì)活性材料,使其與VOC相互作用反應(yīng)。這種反應(yīng)改變了染料的極性,從而改變了熒光發(fā)射光譜。只要對(duì)許多敷有不同染料混合物的光纖器件構(gòu)成的傳感器陣列產(chǎn)生的光譜變化進(jìn)行檢測(cè)分析,就可以確定對(duì)應(yīng)的氣體化合物成分。光纖傳感器有很強(qiáng)的抗噪能力和*的靈敏度,其靈敏度單位以ppb(十億分率)計(jì),這是其它電子鼻傳感器類(lèi)型所遠(yuǎn)不及的。目前光纖傳感器的主要缺點(diǎn)是:(1)其設(shè)備控制系統(tǒng)較復(fù)雜,成本較高,(2)熒光染料受白光化作用影響,使用壽命有限。