一種基于氣體傳感器陣列和紫外光強(qiáng)度調(diào)制的新技術(shù)

金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器通常存在選擇性不好和工作溫度高的問題。傳統(tǒng)的基于金屬氧化物的氣體傳感器通常在較高的溫度下工作，這進(jìn)一步增加了能耗。此外，高工作溫度可能限制它們在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的使用，特別是在易爆氣體環(huán)境中。而且，高工作溫度會導(dǎo)致傳感器壽命縮短和性能不穩(wěn)定。為了降低傳感器的工作溫度，先前的文獻(xiàn)中報(bào)道了不同的方法，例如表面裝飾不同的催化劑材料、摻雜貴金屬、紫外（UV）光照射等。其中，紫外光照射因其可降低光催化金屬氧化物氣體傳感器（如TiO?）的工作溫度而引起了廣泛關(guān)注。

選擇性不好是金屬氧化物氣體傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)，它可以通過多種技術(shù)進(jìn)行改善。其中一種方案是使用由多種傳感元件組成的氣體傳感器陣列。每個(gè)傳感元件與目標(biāo)氣體具有特定的相互作用。盡管陣列的每個(gè)組件的單獨(dú)響應(yīng)不具有區(qū)分性，但所有傳感元件的組合響應(yīng)會為每種分析物產(chǎn)生獨(dú)特的特征。

溫度調(diào)制是增強(qiáng)選擇性的另一主要方法。該技術(shù)基于向傳感器的加熱元件施加可變電壓波形，從而可在金屬氧化物氣體傳感器上產(chǎn)生不同的溫度。金屬氧化物氣體傳感器的響應(yīng)與溫度強(qiáng)相關(guān)，傳感器的溫度變化導(dǎo)致各種響應(yīng)模式，提供與氣體相關(guān)的信息。提取這些信息有助于進(jìn)行氣體識別。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，伊朗德黑蘭大學(xué)（University of Tehran）和加茲溫醫(yī)科大學(xué)（Qazvin University of Medical Sciences）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在IET Science, Measurement & Technology期刊上發(fā)表了題為“Intensity modulation of UV light in gas sensor array to discriminate several analytes at room temperature”的論文，提出了一種基于氣體傳感器陣列和紫外光強(qiáng)度調(diào)制的新技術(shù)，用于在室溫下識別多種還原性氣體。

在這項(xiàng)研究中，研究人員制造了基于TiO?納米纖維的氣體傳感器陣列，并對該傳感器陣列進(jìn)行了不同強(qiáng)度的紫外光激勵(lì)。為了對紫外光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，階梯波形電壓被施加到365 nm的紫外LED。為了評估所提出技術(shù)的有效性，引入了五種不同的氣體作為目標(biāo)氣體，包括不同濃度水平的丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇和一氧化碳（CO）。

氣體傳感器陣列由兩個(gè)覆蓋有TiO?納米纖維的叉指微電極組成。每個(gè)傳感器由42個(gè)電極指對組成，指長、指間隙和指寬分別為3 mm、40 μm和30 μm。TiO?納米纖維是通過靜電紡絲技術(shù)生產(chǎn)的。氣體傳感器陣列示意圖如圖1所示。

圖1 氣體傳感器陣列示意圖

一些學(xué)者已經(jīng)研究并報(bào)道了金屬氧化物氣體傳感器在紫外線照射下的氣體傳感機(jī)理（如圖2所示）。

圖2 紫外線激勵(lì)的室溫氣體傳感機(jī)理示意圖

圖3是用于記錄所制造的傳感器陣列響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)密封氣室（10 L容積）和不同濃度水平的分析物（如丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇和CO，濃度范圍為 50至500 ppm）。除CO外，其它分析物均以液態(tài)形式通過采樣器引入氣室，并通過加熱器在室中蒸發(fā)。預(yù)定體積的CO氣體通過Hamilton注射器注入氣室。小型電風(fēng)扇被用于使氣室的氣氛均勻化。紫外LED（365 nm）被用作光源。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

為了對紫外光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，研究人員向紫外LED施加了一個(gè)階梯波形電壓。階梯波形電壓包括三個(gè)階梯電壓（3.4 V、3.6 V和3.8 V），在與紫外LED確定距離處測得的功率分別約為450、560和680 μW/cm2。圖4顯示了應(yīng)用于氣體傳感器陣列的紫外光強(qiáng)度調(diào)制示意圖。在每次實(shí)驗(yàn)中，氣體傳感器陣列暴露于分析物中，上述階梯波形電壓被施加到紫外LED上。

圖4 應(yīng)用于氣體傳感器陣列的紫外光強(qiáng)度調(diào)制示意圖

圖5展示了將獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)映射到3D特征空間的主成分分析（PCA）結(jié)果。如圖5所示，所有檢測的分析物在室溫下被完全區(qū)分。研究人員對傳感器陣列的重復(fù)性進(jìn)行了10個(gè)周期的評估，每個(gè)傳感器的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）低于8%。

圖5 氣體傳感測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本研究提出了一種基于氣體傳感器陣列和紫外光強(qiáng)度調(diào)制的新技術(shù)，用于在室溫下識別多種還原性氣體。所檢測的氣體為不同濃度的乙醇、甲醇、2-丙醇、丙酮和CO。利用最簡單的降維技術(shù)，所有目標(biāo)氣體在室溫下都得到了顯著的分離。本研究首次提出了基于紫外光強(qiáng)度調(diào)制的真實(shí)陣列和虛擬陣列相結(jié)合的方法，有望為研究光催化金屬氧化物氣體傳感器的選擇性開辟一條有效途徑。所提出的技術(shù)可以增加每種分析物的特定特征數(shù)。該方法的其他優(yōu)點(diǎn)還包括：延長傳感器的使用壽命、無需溫度控制電路以及可檢測易燃?xì)怏w等。該技術(shù)具有成本效益，可用于制造便攜式氣體識別系統(tǒng)。所提出的技術(shù)有望滿足許多氣體傳感應(yīng)用的需要。

審核編輯：劉清