甲烷传感器

分类
甲烷气体传感器的种类繁多，常见的甲烷传感器根据原理主要可分为： 催化燃烧式 红外式 半导体气敏式 电化学式 当然还有一些如热导式、声差式、光干涉式等不常见的传感器，下面 简单地介绍一下以上四种传感器。其中，半导体式与电化学式与材料 的关系更加密切，是人们研究的重点。
催化燃烧式
原理：催化燃烧式气体传感器利用的是催化燃烧的热效应原理。在 一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下 发生无焰燃烧，载体温度升高，使其内部铂丝电阻也随之升高。铂 丝电阻的变化与可燃气体的浓度成比例，因而能够通过电阻值的变 化，来检测甲烷气体的浓度。 优点：结构简单，成本低，寿命较长，应用广泛（还可用于其它可 燃气体），受非可燃性气体和温度变化的影响小。 缺点：精度不高，敏感元件易受硫化氢和砷化物影响而失效，工作 时温度高，功耗高，不能用于高浓度甲烷检测，湿度对它的灵敏度 影响也比较大。
论文：Development and testing of an electrochemical methane sensor
实验装置
甲烷浓度变化时的响应，浓度增 大时，响应也随之增大，响应时 间在15s左右
传感器响应随甲烷浓度变化的曲 线，近似一条直线
200小时后该传感器仍然具 有较好的重复性和稳定性
半导体气敏式
原理： 利用氧化物半导体气敏材料与被测气体之间发生吸附或者 氧化还原反应 , 引起材料的电导率变化 , 进而通过电路检测浓度。 优点：具有很高的灵敏度和选择性 , 结构简单，反应速度较快，精 度比较高。 缺点：为了提高气敏元件的吸附和反应速度 , 工作温度必须维持在 一个较高的水平。
电化学式
甲烷气体传感器
目录
• 背景 • 催化燃烧式 • 红外式 • 半导体式 • 电化学式 • 实例一 Co3O4纳米颗粒 • 实例二 混合电位传感器 • 总结与展望
背景
甲烷是一种易燃易爆的气体，是造成煤矿中发生爆炸的主要 气体，甲烷爆炸的浓度范围是5%—15%，也就是说当空气中甲 烷浓度超过5%，就有可能发生爆炸，严重地威胁周围的生命安 全。在日常生活中，有些地方可能发生甲烷泄漏或是甲烷的大量 聚集，需要对甲烷浓度进行检测。因此，使用有效、灵敏度高的 甲烷传感器时刻检测甲烷浓度变化是保证生命财产安全的必要手 段之一。
甲烷浓度变化时的电阻变化曲线
温度增加后，响应时间会相对减少
温度和浓度对灵敏度的影 响综合图
该元件的重复性和稳定性都 很好
实例二 混合电位传感器
Praveen K. Sekhar等人制备出这种电化学式传感器，它由氧 化铟锡（ITO，一种透明导电薄膜材料）电极、铂电极以及氧化钇 稳定的氧化锆（YSZ）电解质，使用廉价的磁带铸造的方法制造的 传感器。
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实例一 Co3O4纳米颗粒
论文：Promising methane gas sensor synthesized by microwave-assisted Co3O4 nanoparticles
左图为测量装置暴露在200℃的1%浓度甲烷气氛中，其电 阻(Rg)与无甲烷时电阻（Ra）之比不断增加，说明它是P型半导 体。 右图显示了它在不同温度下的响应，从图中可以看出它在 200℃时响应最大。
电化学式传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电 信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极 组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感 器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。采用这种方法可 以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止 电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电 极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电 极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电 流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程 中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电 池，这种传感器通常比较复杂。
研究近况Βιβλιοθήκη Co3O4是一种P型半导体氧化物，它在传感器方面的应用非常 广泛，可作为多种气体的传感器的敏感材料。N.M. Shaalan等人 利用微波辐射的方法制备的Co3O4纯相纳米颗粒作为敏感材料来研 究Co3O4在检测甲烷浓度时的敏感特性。该Co3O4纳米颗粒是一种 尖晶石结构，他们主要研究了Co3O4在不同温度和甲烷浓度下的气 敏性能。
由上图可以看出，除了性质相似的烃类可 能会影响该传感器对甲烷的检测，其它气 体的影响会比较小
总结与展望
甲烷气体传感器种类繁多，根据原理划分，常见的甲烷传感器 主要有催化燃烧式、红外式、半导体气敏式、电化学式，其中后面 两种与材料的关系更加密切，因此它们是我们材料研究者关注的重 点。 随着微电子技术和纳米技术的发展，传感器将朝着小型化、轻 便化、低成本、低功耗、准确度高和响应快的方向发展，这也是传 感器研究者的基本原则。在这样的条件下，基于新原理和新材料来 研制传感器以及对传感器材料进行优化设计将是传感器的主要研究 内容。
红外式
原理：大部分气体中红外区都有特征吸收峰，通过检测甲烷特征吸 收峰位置吸收情况，就可以确定甲烷气体的浓度。 优点：安全可靠，测量精度高，选择性好，不受其它气体影响，测 量范围宽，可连续检测。 缺点：由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体 积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。