新型室温表面光电压气体传感器装置(二氧化氮气体为测量试验气体)(4)

 

3.2 NO2气体中的气敏特性

    气体检测效果，基于ZnO电极表面电荷和后续表面电位，因有毒的NO2气体同气体敏感材料交互作用。

初级实验已证明，新型的SPV气体传感器系统在室温下工作。然而，要实现恒定初级表面电位和SPV信号后继恒定起动值，以便重复我们系统的工作条件，需要标准干燥合成空气流过系统几小时。这样预处理允许从电极表面去除吸附的环境水分子，确保给传感一个稳定的参照状态。

    随后，我们集中登记：随标准干燥合成空气中NO2 活性气体浓度变化，SPV信号的变化。在这原理验证试验期间，我们集中在两个方面，即，临界气体浓度和传感器动态反应。

    我们的试验证明精致的新型SPV气体传感器系统允许检测二氧化氮（NO2）气体：达到1ppm，信噪比率(S/N)为~50。在1 ÷ 5 ppm主要浓度范围，得到最低的、选择的NO2气体浓度数据，以图4所示图表形式呈现出来。

 

图4. SPV信号变化，作为一个二氧化氮（NO2）浓度函数

 

    在这点上，应强调：也许我们的系统能检测1ppm以下NO2气体，因为信噪(S/N)比率为~50，但我们的气体流系统（见图1）在重复地和可靠地测量条件下仅能达到1ppm。然而，得到的结果，看起来大有可为的，我们的强SPV信号甚至在室温工作条件下已经达到1ppm的NO2。这种表现是不可能实现的，如果使用普通的基于各种形式的ZnO作为气体敏感材料[12,13]电阻型气体传感器。而且，要强调的是，我们的各自相关的敏感性在大约更好1级的室温实现的，而涉及到普通使用的各种形式的ZnO薄膜，工作在更高温度200–350 °C [12,13]。我们的传感器平台重要的优势是潜在应用。正如，我们上面提到的，在我们试验的下一步，已集中SPV气体传感器系统的动态特性的测定，包括就特定的NO2浓度的反应时间，和受重视的恢复时间。 

    图5显示与3ppm 二氧化氮（NO2）浓度动态参数相关的SPV信号的时间依赖变化，3ppm NO2浓度处在在我们试验中主要浓度范围中间。正如，普通文献中的接受的那样，相应的气体传感器动态特性（反应和恢复时间）定义在相应的时间，在这时间信号达到相应变量全值的90%。清晰可见，对3ppmNO2 浓度，反应时间，大约50秒。用于我们试验的所有别的NO2 浓度的估计值，总结在表1中。最重要的是，如上面提到的，反应时间在52 ÷ 24 s范围内变化，NO2浓度变化是1 ÷ 5 ppm。第2个动态参数，即，恢复时间，它高度依赖感应的气体浓度，在数10分钟内。

图5. SPV信号变化，作为3ppm 二氧化氮（NO2）浓度的时间函数
 

表1.针对试验中使用NO2主要浓度范围，气体传感器装置SPV信号的反应时间和相应恢复时间:

 

    如上所述，与SPV气体传感器系统恢复相关的时间，还看起来相当长，与普通的以各种形式ZnO作为气体敏感材料的电阻型气体传感器相比。然而，还要强调的是，已达到短的恢复时间，仅当把多孔的ZnO纳米结构薄膜留在一个室温下合成空气流，没有任何附加的再生处理。 关键的是，此刻，它能作为直接的证据：我们试验中的目标气体(NO2) 仅物理吸附在多孔的ZnO纳米结构薄膜内表面。这种情况下，一个更好的动态特性不能期待。还有，这些反应比室温下通常的电阻传感器的更好，在室温通常接近信噪比率。最后，对于未来带有附加电极脱气机制（即，基于热或光）的传感器的耦合，它们前景看好。上面提到的恢复效果能另外通过使用附加IR-LED源来改进。我们初步的试验期望就在这个方面，因为恢复时间能减少到原来的1/5，然而，这将要求进一步的研究来优化脱气条件。

原著:M.Kwoka,OrcID, Michal A. Borysiewicz, P. Tomkiewicz, A. Piotrowska,J. Szuber  2018.6.29

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