一種基於納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器的製作方法

2023-09-19 23:27:15 1

專利名稱：一種基於納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及氨氣濃度的在線檢測領域，尤其涉及一種吸收與反射光譜聯合使 用的手段檢測氨氣濃度的檢測系統。
背景技術：
目前工業環保領域普遍使用的各類傳感器檢測原理各不相同，主要分為三大類 (1)利用物理化學性質的氣體傳感器如半導體式(表面控制型、體積控制型、表面電位 型)、催化燃燒式、固體熱導式等。⑵利用物理性質的氣體傳感器如熱傳導式、光幹涉式、 紅外吸收式等。(3)利用電化學性質的氣體傳感器如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜 離子電極式、固定電解質式等。各類氣體傳感器的適用對象也各不相同，並且都存在一些不 可避免的技術缺陷。金屬氧化物半導體式傳感器利用被測氣體的吸附作用，改變半導體的電導率，通 過電流變化的比較，激發報警電路。金屬氧化物半導體式傳感器，因其反應十分靈敏，故廣 泛使用於測量氣體的微漏現象。但是，由於半導體式傳感器易受環境影響，輸出信號不太 穩定。催化燃燒式傳感器是目前最廣泛使用的檢測可燃氣體的傳感器，具有輸出信號線 性好、指數可靠、價格便宜、不受其他非可燃氣體幹擾等特點。催化燃燒式傳感器採用惠 斯通電橋原理，感應電阻與環境中的可燃氣體發生無焰燃燒，溫度變化導致感應電阻的阻 值發生變化，打破電橋平衡，輸出穩定的電流信號。但是催化燃燒式傳感器存在一些無法 克服的弱點。如調校周期短、易中毒、使用壽命短等。熱傳導式氣體傳感器是依據氣體的 導熱係數與空氣的差異來測定氣體的濃度，通過惠斯登電橋電路將導熱係數的差異轉化 為電阻的變化。這種傳感器在待測氣體濃度高時穩定性較高，所以，一般用於高濃度氣體 (4% -100% ).，但是該類傳感器存在溫度漂移大、靈敏度低等缺點。電化學式傳感器是目 前被廣泛使用的另一類檢測毒氣的傳感器，可檢測幾十種有毒氣體。電化學傳感器的構成 是將工作電極、對電極及參比電極放置在特定的電解液中，然後在反應電極之間加上足夠 的電壓，使透過塗有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進行氧化還原反應，再通過儀器中的電 路系統測量氣體電解時產生的電流，最終由微處理器計算出氣體的濃度。目前，大多數無機 有毒氣體的工業在線檢測採用電化學傳感器。主要檢測對象有一氧化碳、硫化氫、二氧化 硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環氧乙烷、氯化氫等。但是電化學傳感器中由 於電解液的蒸發或汙染常會導致傳感器信號衰降，使得實際使用壽命縮短。根據電解質的 質量，使用壽命一般為2年。同時為了保證傳感器有一定的使用壽命，電解液的用量不能太 少，因此限制了該類傳感器的微型化。另一種電化學式氣體傳感器稱為固體電解質氣體傳 感器，該傳感器使用固體電解質氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產 生離子，從而形成電動勢，電動勢與測量氣體濃度在一定範圍內呈正比。但是固體電解質傳 感器易在環境中自然消耗，壽命也很短。光學類氣體傳感器主要包括幹涉式和光吸收式兩大類。幹涉式氣體傳感器的基本 原理是應用光的幹涉現象來測氣體的濃度。利用略作改進的麥可遜幹涉儀作為儀器，將由一個光源發出的光分為兩束，分別經過待測氣體與基準氣體傳輸，由於待測氣體與基準 氣體折射率不同導致兩束光線光程差不同，產生光幹涉效應，形成幹涉條紋。由於光程差與 氣體濃度有關，因此幹涉條紋中包含了濃度信息，故可以根據記錄幹涉紋的變化來得出氣 體的濃度。光幹涉式氣體傳感器在理論上有精度高、測量範圍廣、穩定性好等諸多優點。但 從幹涉系統的設計到CCD採集信號要求都非常嚴格，且結構複雜，成本高，不易於實現小型 化.同時易受0)2及水蒸氣及其他環境因素等的幹擾和影響。光吸收式氣體傳感器主要有 紅外吸收式及可見光譜吸收式兩類，紅外吸收式利用不同的氣體對不同頻率紅外光產生吸 收的原理，可用於多種氣體的同時檢測，但是該類儀器的靈敏度並不高，且價格昂貴。

實用新型內容本實用新型的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於納米多孔反射傳感材 料的氨氣傳感器。本實用新型是通過以下技術方案實現的一種基於納米多孔反射傳感材料的氨氣 傳感器，它包括通氣箱體、底座、氨敏材料、進氣閥門、出氣閥門、光源、光電管、計算機、入 射光通道、反射光通道；其中，所述底座固定在通氣箱體底部，氨敏材料擱置在底座上，進氣 閥門和出氣閥門分別固定在通氣箱體左右兩側，光電管和計算機通過數據線相連。本實用新型的有益效果是1、採用反射-幹涉法測量氨氣濃度，線性範圍寬，在1 300mg/m3的氨氣濃度範 圍內，反射光的強度變化與流經氨敏材料表面氣體中氨氣濃度變化成正比。2、採用反射-幹涉法測量氨氣濃度，實時性好，可以連續檢測空氣中氨氣的濃度。3、採用自行研製的氨敏材料對於有毒有害及易燃氣體呈化學惰性，對氨氣的響應 時間為40s，恢復時間不大於lmin，信號響應及恢復速度比其他類型的傳感器明顯要快。4、穩定性好，使用壽命長達4年，優於現有的同類傳感器。5、在常溫下使用，大大降低了傳感器工作溫度。6、能檢測到lppm的氨氣，靈敏度高。7、使用的氨敏材料做成的傳感器體積小，利於傳感器的微型化，集成化。8、價格低廉，可以快速準確地測量空氣中微量氨氣濃度，具有廣闊的市場前景。

圖1為用於檢測空氣中氨氣濃度的設備的結構示意圖；圖2為氨敏材料的反射光譜圖，橫坐標為波長，縱坐標是反射光相對強度；黑色實 線為在空氣中的反射光譜圖，紅色虛線為在氨氣中的反射光譜圖；圖3為氨敏材料的反射峰值強度隨氨氣濃度變化的信號響應圖，橫坐標是時間， 縱坐標是相對反射強度；圖中，通氣箱體1、底座2、氨敏材料3、進氣閥門4、出氣閥門5、光源6、光電管7、計 算機8、入射光通道9、反射光通道10。
具體實施方式
本實用新型所涉及的納米光學傳感器集成了納米光學材料製備技術、光纖技術、光電子技術等多項技術。其核心傳感元件-納米光學材料相比於現有的氣體傳感材料具有 非常顯著的優勢。本實用新型製備的納米高反射性多孔材料是一種表面積極大，表面規整， 孔徑大小均勻的高光反射性材料。其反射波長的寬度可以控制在lOnm以下，最大反射峰 的位置可通過刻蝕參數的控制任意可調，其反射峰強度和位置對孔道內吸附的氣體非常敏 感。配合各種表面修飾手段可以對氨氣產生選擇性響應。如本實用新型所涉及的氨氣傳感 器通過在具有光過濾性能的高反射性多孔材料表面修飾敏感敏感染料分子從而實現對氨 氣的選擇性響應。檢測時，將該傳感材料固定於底座，傳感面與氣體接觸。可見光源聚焦後 照射在傳感材料表面，反射信號通過光導纖維傳輸給光譜儀探測器或光電管，實時地將反 射光強信號轉換成電信號。當流經傳感材料的氣體中氨氣濃度發生變化時，由於敏感染料 分子吸收光譜的最大吸收峰位置移至(或移出)高反射性多孔材料反射光譜的峰值位置， 因而使反射光強度降低(或增強)，使傳感器產生信號輸出發生變化，並且在一定的氨氣濃 度範圍內反射光強度降低值與氨氣濃度呈正比。傳感材料對於常見的有毒有害及易燃氣體 為化學惰性，氣體在材料表面的吸附和脫附可逆性極好，因而不僅靈敏度高，信號響應及恢 復速度比其他類型的傳感材料明顯要快。在正常使用情況下使用壽命也比現有的半導體 傳感器、催化燃燒式氣體傳感器及電化學式氣體傳感器都要高。該新型納米光學材料的應 用將使光學類氣體傳感器的微型化，集成化，穩定性，響應速度等各方面指標得到進一步提 高，不僅可作為工礦企業的氨氣及易燃氣體的在線檢測和報警裝置，而且可以用於公共場 所安全預警、民用室內汙染性氣體檢測等多個領域。1.氨敏材料的製備將矽片或鋁片固定在電解池中，加入一定的電解液。以矽片或鋁片為陽極，惰性 電極(如鉬電極)為陰極進行電解，刻蝕電流輸出正弦或餘弦波形，設定電流密度為10 100mA/cm2之間波動，波形周期控制在5 30秒之間，波形重複次數控制在20次到250次 之間。電解結束後，用乙醇多次衝洗矽片或鋁片，最後用氮氣吹乾。將多孔矽片或鋁片放在 馬福爐中，在600°C -800°C下快速熱氧化處理15-60分鐘。在高反射性多孔材料表面塗覆 預交聯殼聚糖溶液，高分子成膜後，再吸附質量濃度為0. 3%的敏感染料溶液，常溫乾燥後 即可製成所需的氨敏光學傳感材料。2.氨氣檢測設備一種基於納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器，它包括通氣箱體1、底座2、氨敏 材料3、進氣閥門4、出氣閥門5、光源6、光電管7、計算機8、入射光通道9、反射光通道10。 底座2固定在通氣箱體底部，氨敏材料3擱置在底座2上，進氣閥門4和出氣閥門5分別固 定在通氣箱體1左右兩側，光電管7和計算機8通過數據線相連。光源6發出的可見光經入射光通道9照射在氨敏材料3上，氨敏材料3上的反射 光經反射光通道10進入光電管7，光電管7向計算機8輸出電信號；氨敏材料3是由一種 多孔的高反射性的材料，由上述方法製備得到。3.氨氣的檢測光源6發出的光(為可見及紅外光，波長300nm-1100nm)照射到置於通氣箱體1內 的氨敏材料3表面，光在氨敏材料3 (具有周期性孔道的高反射性多孔材料)內產生反射幹 涉現象，當氨氣進入通氣箱體1後，負載於高反射性多孔材料表面的敏感染料發生吸收光 譜的變化。結合氨氣後的敏感染料吸收光譜區域與高反射性多孔材料的反射光譜重疊，氨敏材料3的反射強度降低，如圖2所示，其降低程度與氨氣濃度在一定範圍內(1 500mg/ m3)呈正比，如圖3所示。光電管7將反射光經過光電轉換後，得到的電信號輸入計算機8， 計算機8的顯示器上即顯示空氣中氨氣濃度隨時間變化的曲線。
權利要求1. 一種基於納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器，其特徵在於，它包括通氣箱體 (1)、底座(2)、氨敏材料(3)、進氣閥門(4)、出氣閥門(5)、光源(6)、光電管(7)、計算機 (8)、入射光通道(9)、反射光通道(10)；其中，所述底座(2)固定在通氣箱體(1)底部，氨敏 材料(3)擱置在底座(2)上，進氣閥門(4)和出氣閥門(5)分別固定在通氣箱體(1)左右 兩側，光電管(7)和計算機(8)通過數據線相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基於納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器，它包括通氣箱體、底座、氨敏材料、進氣閥門、出氣閥門、光源、光電管、計算機、入射光通道、反射光通道；底座固定在通氣箱體底部，氨敏材料擱置在底座上，進氣閥門和出氣閥門分別固定在通氣箱體左右兩側，光電管和計算機通過數據線相連。該實用新型結構簡單、靈敏度高、成本低、實時性好、濃度範圍廣，可以快速準確地測定空氣中的氨濃度，用於工作及生活環境氨濃度的在線監測及氣體洩漏報警。
文檔編號G01N21/31GK201788144SQ20102027241
公開日2011年4月6日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者商雲嶺, 孫黎明, 趙偉潔, 鄔建敏, 陸金偉, 馬曄軍 申請人:浙江大學