[发明专利]高灵敏度与高选择性气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感器领域，更具体地说，涉及对被测气体具有高灵 敏度与高选择性检测性能的气体传感器。

背景技术

环境与健康安全领域涉及的气体检测通常需要高灵敏度与高选择性气 体传感器。例如，为防止中毒或保证健康安全，生活或工作环境中苯与甲 醛的浓度规定不得超过90ppb；而对于哮喘等呼吸病的呼气检测，呼气中 一氧化氮浓度的检测下限与精度必须低于5ppb。目前能够满足这种检测要 求的主要是难以现场使用的大型实验室分析仪器。而可以现场使用的便携 式传感器检测仪却满足不了灵敏度要求，通常只能检测到浓度高于1000ppb 或1ppm的气体。当试图提高灵敏度用于较低浓度检测时，传感器选择性则 随之降低。此时，传感器检测信号中，环境与气体样品的温度、湿度、气 流、压力以及其它气体的贡献接近甚至超过被测气体的响应，以至于无法 区分而失去选择性。解决灵敏度与选择性的矛盾问题一直是气体传感器检 测技术研究与应用开发的首要任务。

申请号为200510049517.0的中国专利公布了一种便携式传感器气体 分析仪，用于环境中低浓度甲醛和苯系气体的检测。该发明在传感器之前 采用气体富集装置，提高被测气体的浓度，从而使本来只能检测高浓度的 传感器可以结合模拟计算的方法用于低浓度气体的分析。该发明使氧化物 半导体与碳纳米管传感器的检测下限从原来的1ppm降低到10-100ppb。然 而这种方法必须精确的选择对气体富集的吸附材料与确定富集的程度，而 且还需要采用程序温控实现定量的气体吸附和脱附过程，用氮气等载气携 带富集的气体进行检测，分析仪结构与操作均十分复杂，其程度甚至超过 便携式气相色谱分析仪。

公开号为CN16814635的中国专利(对应的美国专利申请号 US20040082872)公布了一种便携式传感器气体检测仪，用于呼气中一氧化 氮的检测。该发明设计了特殊的流体气路，包括流量调节稳压稳流装置、 采用美国杜邦公司NAFION管与周围填充介质对气体样品进行湿度控制的 恒湿装置、以及半导体制冷片对气体样品以及电化学气敏元件进行温度控 制的恒温装置。由于气流、压力、温度与湿度等得到精密定量的控制，结 合对干扰气体的过滤装置，对一氧化氮浓度的检测下限与精度达到5ppb。 然而这种方法必须依靠精心设计与加工的湿度、温度、压力、流量与气体 过滤等控制装置，使得检测仪结构十分复杂、成本显著增加，而且只能在 室内条件下实现有效的恒温与恒湿控制，限制了其应用范围或条件。

能够检测低浓度甲醛气体的检测仪产品主要是日本新宇宙公司的 xp-308检测仪，检测下限可以达到10ppb。该检测仪在传统的电化学甲醛 气敏元件之前配备了2个过滤器。一个过滤器仅除去甲醛，另一个过滤器 不除去甲醛，而是用于平衡扩散阻力。检测时对环境气体先后两次取样， 分别通过二个过滤器后由气敏元件分别进行检测。两个检测信号的差值即 为甲醛的浓度。该差值法一定程度上扣除了气体样品中干扰气体的影响， 因此提高了检测的灵敏度与选择性。但由于两次检测需要的两次取样条件 (温度、湿度、压力与干扰气体等)并不完全一致(相当于分析的是两个 样品)，因此作为差值的检测结果含有两个样品之间的差异，而这种差异 对高灵敏度检测的一致性要求是不容忽略的。此外，由于两次取样需要用 户人为的操作控制，也可能产生因人而异的测量误差等问题。

发明内容

本发明针对目前技术包括上述发明的不足开发了一种高灵敏度与高选 择性气体传感器。与先前技术明显不同的是，在使用传统气敏元件的基础 上，该传感器不需要用来提高被测气体浓度的富集装置，不需要对气体样 品进行气流、温度、湿度、压力等精密控制的装置，也不需要分别两次取 样。本发明提出的传感器仅需要一次取样的循环气路进行两次测量，便可 以有效地消除干扰气体、气流、温度、湿度与压力等影响，实现高灵敏度 与高选择性的检测。

本发明提供的气体传感器包括：一个用来取样并输送气体进行检测和 排放的气泵、一个对气样进行检测的气敏元件、一个能够除去被测气体的 过滤器、一个临时存放气体样品的样品室与气流方向控制阀，以及由它们 在气体样品进出口之间构成的一个循环气路。