CN105510402B - 通过程序降温提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法，该方法是在洁净背景气氛下，将金属氧化物气体传感器在特定工作温度(200‑400℃)稳定，然后设定降温速度为1‑50℃/s范围内的某一特定速度，程序降温到特定低温(室温‑200℃)，获得传感器的电阻随温度的变化曲线Rair‑T，作为基底信号；检测气体氛围下，以相同流程控制传感器温度，获得传感器的电阻随温度的变化曲线RGas‑T，作为响应信号；将基底信号与响应信号相除，得到Rair/RGas‑T的曲线，取该曲线上的最大值max(Rair/RGas)，作为对该气体的敏感度。本发明在不改变金属氧化物材料组分下，相比恒定工作温度测试的方法大幅度提高了气体传感器的敏感活性，增大气体敏感度，从而实现低浓度级别(ppb级)气体的高精度检测。

Description

通过程序降温提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法
技术领域
本发明属于气体敏感技术，涉及金属氧化物气体传感器的敏感度，具体指一种提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法。
背景技术
金属氧化物气体传感器，以其成本低、工艺成熟、敏感特性和稳定性良好以及与半导体工艺兼容等优点得到了广泛的应用。目前，商用的金属氧化物气体传感器，大都在恒定的温度下工作，对ppm级的有机气体和无机气体有较好的敏感度，但对更低浓度级别(ppb级)气体的敏感度较低，在很多高精度检测领域中无法使用，限制了其应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法；本发明可以大幅度提高金属氧化物气体传感器的敏感活性，增大气体敏感度，从而实现低浓度级别(ppb级)气体的高精度检测。
本发明提供一种提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法，其特征在于：洁净背景气氛下，将金属氧化物气体传感器在某一工作温度下稳定，之后程序降温到某一低温，获得传感器的电阻随温度的变化曲线Rair-T，作为基底信号；检测气体氛围下，以相同流程控制传感器温度，获得传感器的电阻随温度的变化曲线RGas-T，作为响应信号；将基底信号与响应信号相除，得到Rair/RGas-T的曲线，取该曲线上的最大值max(Rair/RGas)，作为对该气体的敏感度；
在从工作温度程序降温到低温过程中，高温下金属氧化物材料表面的高活性吸附粒子，由于来不及脱附而保留在表面，提高了对气体的敏感度，从而实现对更低浓度级别气体的敏感。
金属氧化物气体传感器对有机/无机气体都有很好的敏感度，其材料表面的敏感活性与工作温度相关。一般情况下，商用气体传感器大都在恒定的温度工作，此时金属氧化物材料表面的敏感活性恒定。实际应用中，它对ppm级的气体有较高的敏感度。然而，即使在特定的工作温度(200-400℃范围)，材料表面敏感活性最高，但由于检测气体在高温吸附较困难，和气体传感器发生作用的量较少，导致其对更低浓度气体(ppb级)的敏感度较低。
我们发现：通过程序降温的方法可以提高金属氧化物表面的敏感活性，从而大幅度提高对低浓度气体(ppb级)的敏感度。将金属氧化物气体传感器在洁净背景气氛(空气)中加热到特定高温(200-400℃范围)，高温下材料表面活性较高，能使金属氧化物气体传感器快速稳定；然后采用程序控温技术快速降温(速度范围：1℃/s-50℃/s)到特定低温(室温-200℃范围)。在此降温过程中，高温下金属氧化物表面的高活性吸附粒子来不及脱附而保留在表面，且低温下表面拥有大量高活性吸附粒子的材料不会发生脱附，进而促使对气体的敏感度远远大于恒定温度工作下得到的敏感度，实现对更低浓度级别气体的敏感。
金属氧化物气体传感器在洁净背景气氛下(一般为空气)稳定，可以对金属氧化物的表面进行清洗，使得表面残余气体脱附，保证材料表面洁净。
金属氧化物气体传感器的工作温度选定在200-400℃范围，可以使金属氧化物快速达到稳定状态，同时保证其表面具有很多高活性吸附粒子。
对金属氧化物气体传感器的降温过程采用程序控温技术，可以实现降温过程的可程式调控，保证气体检测流程的重复性、稳定性、可靠性。
金属氧化物气体传感器的程序降温速度设定在1℃/s-50℃/s范围内，使高温时表面吸附的高活性粒子能保留到低温下的材料表面，保证其拥有较高的敏感活性。
金属氧化物气体传感器程序降温后的温度范围选定在室温-200℃，可以保证表面的高活性吸附粒子能长时间稳定存在。
金属氧化物气体传感器以预设定的参数进行程序降温检测，获取的信号为电阻随温度的变化曲线，即R-T。将气体敏感度定义为max(Rair/RGas)。
总之，与现有技术相比，本发明的有益效果是，洁净背景气氛中，金属氧化物气体传感器在特定工作温度(200-400℃范围)可以快速达到稳定状态，材料表面富有高活性吸附粒子；通过程序控温技术，使其快速降温(速度范围：1℃/s-50℃/s)至特定低温(室温-200℃)，能使高活性吸附粒子长时间保留在金属氧化物的表面，提高材料的敏感活性，相比恒定工作温度下，大幅度提高了对更低浓度级(ppb级)别气体的敏感度，实现了金属氧化物气体传感器在高精度检测领域的应用。
附图说明
图1是程序降温技术调控传感器温度随时间的变化曲线。
图2是Pt-SnO2传感器的电阻信号及气体敏感度的获取，(a)为传感器在空气和丙酮中的R-T曲线；(b)为Rair/RGas-T的曲线。
图3.1、3.2是Pt-SnO2传感器检测丙酮，分别采用恒定温度方法与本发明方法的结果对比图。
具体实施方式
在洁净背景气氛下(一般为空气)，将金属氧化物气体传感器在特定工作温度(200-400℃范围)稳定，然后设定降温速度为1℃/s-50℃/s范围内的某一特定值，程序降温到特定低温(室温-200℃范围)，获得传感器的电阻随温度的变化曲线Rair-T，作为基底信号；检测气体氛围下，以相同流程控制传感器温度，获得传感器的电阻随温度的变化曲线RGas-T，作为响应信号；将基底信号与响应信号相除，得到Rair/RGas-T的曲线，取该曲线上的最大值max(Rair/RGas)，作为对该气体的敏感度。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
利用程序控温技术调控金属氧化物气体传感器的降温过程，设定降温速度为1℃/s和10℃/s，如图1所示，传感器的温度随时间是均匀变化的。
如图2(a)所示，设定金属氧化物气体传感器(Pt-SnO2)的工作温度为400℃，程序降温速度为10℃/s，低温为40℃。分别在洁净背景气氛(空气)和检测气体氛围(丙酮)中按照设定的参数，对传感器进行程序降温控制，获得了基底信号Rair-T曲线和响应信号RGas-T曲线。将基底信号与响应信号相除，得到Rair/RGas-T的曲线，如图2(b)所示，得到曲线上的最大值max(Rair/RGas)：35574.3为该传感器对乙醇的敏感度。
实例：
选用Pt-SnO2作为金属氧化物气体传感器，检测100ppm的CO、H2、丙酮和乙醇。设定变温的参数：工作温度为400℃，程序降温速度为10℃/s，低温为40℃。按照上述的实施方式，通过程序降温的方法来获取敏感度。同时，采用目前商用金属氧化物气体传感器常用的恒定工作温度下测试的方法(400℃)来获取敏感度，将两者进行对比，体现本发明的有益效果。对比的结果如表1所示，可以明显地看出：对于Pt-SnO2金属氧化物气体传感器，通过程序降温方法来检测有机/无机气体，获得的敏感度都远远大于恒定工作温度方法得到的敏感度。
为了进一步说明程序降温方法可以大幅度提高金属氧化物气体传感器对低浓度(ppm级)气体的敏感度，实现更低浓度级别(ppb级)气体的敏感。选用上述的传感器，采用恒定温度和程序降温两种方法，按照上述的测试参数，对不同浓度的丙酮进行测试。对比结果如图3.1、3.2所示，Pt-SnO2传感器在恒定温度测试1ppm丙酮获得的敏感度为4.6；而通过程序降温的方法敏感度提高至62.9。可以发现，当检测气体浓度低至1ppm的时候，相比恒定工作温度方法，通过程序降温可以将气体敏感度增加十几倍。此外，一旦检测气体浓度低至500ppb，对于Pt-SnO2传感器检测丙酮，采用恒定工作温度的测试方法，得到的敏感度低于2，导致检测精度不高；而采用本发明提出的程序降温方法可以将气体敏感度提高至19.2，从而实现对更低浓度级别气体的高精度检测。
表1 Pt-SnO2传感器通过两种方法检测气体的敏感度对比
综上所述，本发明提出一种能有效提高金属氧化物气体传感器敏感活性的方法，在不改变金属氧化物材料组份下，可以实现对更低浓度级别气体的敏感，这对金属氧化物气体传感器在高精度检测领域的应用有重要意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提高金属氧化物传感器气体敏感度的方法，其特征在于：洁净背景气氛下，将金属氧化物气体传感器在某一工作温度下稳定，之后以降温速度范围为1℃/s-50℃/s进行程序降温到某一低温，使高温时表面吸附的高活性粒子能保留到低温下的材料表面，保证表面的高活性粒子能长时间稳定存在，并拥有较高的敏感活性，所述工作温度的范围为200-400℃，所述低温的范围为室温-40℃；获得传感器的电阻随温度的变化曲线Rair-T，作为基底信号；检测气体氛围下，以相同流程控制传感器温度，获得传感器的电阻随温度的变化曲线RGas-T，作为响应信号；将基底信号与响应信号相除，得到Rair/RGas-T的曲线，取该曲线上的最大值max(Rair/RGas)，作为对该气体的敏感度；
在从工作温度程序降温到低温过程中，高温下金属氧化物材料表面的高活性吸附粒子，由于来不及脱附而保留在表面，提高了对气体的敏感度，从而实现对更低浓度级别气体的敏感。
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