[发明专利]基于SnO2基气敏传感器实现同性质气体浓度同时定量的方法

说明书

本发明公开了一种基于SnO₂基气敏传感器实现同性质气体浓度同时定量的方法，首先对单一的第一气体，采用第一气体气敏传感器测定其响应值，建立第一气体的响应值与浓度的关系式，然后在包含第一气体和第二气体的混合气体中测定第一气体的响应值，并对上述关系式进行修正，得到混合气体中第一气体响应值与第一气体浓度和第二气体浓度关系式；同理得出第二气体响应值与第一气体浓度和第二气体浓度的关系式联立成方程组，即可解出第一气体和第二气体各自浓度。本发明通过两种同性质气体之间相互作用规律及机理，结合两种气体传感器响应值与气体浓度建立方程组，解析出最终的两种气体的各自浓度，从而完全可以实现同性质气体浓度的同时、准确定量。

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，特别是涉及一种基于SnO₂基气敏传感器实现同性质气体浓度同时定量的方法。

背景技术

T.Seiyama于1962年研制成首只氧化物半导体气敏传感器元件；N.Taguchi于1968年实现了SnO₂气敏传感器的商品化。随着人工智能、材料科学学科的发展，气体传感器也取得了长足的发展；在大气监测、有毒气体检测、汽车尾气的实时测定、爆炸物品的安全检查、航空航天、军事国防等方面越来越显示出气体传感器的重要作用。其中，SnO₂在气敏性能方面，主要通过多孔材料的制备、纳米结构材料的制备、薄膜的制备、负载贵金属和掺杂氧化物等方法实现了响应值的提高及响应-恢复时间的缩短；同时，SnO₂基传感器具有制作成本低、工艺流程简单等特点，被广泛应用于还原性气体和有毒气体的检测。然而，SnO₂基气敏传感器存在的最大问题是对目标气体选择性较差。在某一特定环境下，经常两种或多种有害气体同时存在，该类传感器的响应值是几种混合气体的综合体现，故无法对混合气体中的各组分或单一组分准确定量。这也是制约这种传感器发展的一个瓶颈。国内外学者提高对目标气体的选择性，归纳为以下五大类型：

1)最佳工作温度的选择：基于传感器对气体的吸附随温度的升高降低而活化气体分子随温度的升高而增多之间的矛盾，传感器对气体的响应值随温度出现“钟形曲线”分布特征，但不同气体对应的曲线顶点出现在不同的温度，从而可以用于提高材料对目标气体的选择性。例如，W.J.Moon等通过CuO涂覆在SnO₂-ZnO表面，制备传感器材料；该传感器200℃工作时，对CO的选择性为6；在350℃工作时，对H₂的选择性为4，这是大家普遍采用的方法。

2)温度调制法：基于传感器材料对不同气体的响应值及吸附脱附速率不同，通过施加周期性的按正弦函数曲线变化的温度，不同气体的响应值曲线会出现不同的形状。因此，可以通过形状来区分气体。例如，J.R.Huang利用温度调制的方法，实现了对CO和CH₄同时存在时的区分。该方法的定量必须依赖于图形显示将两种气体辨别出来。然而，当混合气体同时出现时，该类传感器对混合气体的响应曲线极其复杂，从而无法对其中的某一种气体定量。

3)过滤层法：基于过滤层中的活性物质或催化剂可以选择性的与干扰气体发生化学反应，从而可以实现对目标气体的选择性检测。例如，A.Cabot等在SnO₂敏感层上方加Pt或Pd负载的介孔氧化硅作为催化层，CO和CH₄同时存在时，催化层选择性的氧化CO分子，从而提高了对CH₄的选择性。然而，由于气体在过滤层的扩散需要一定时间，材料对气体的响应时间和恢复时间变长。