CN217981332U - 一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置 - Google Patents
一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN217981332U CN217981332U CN202221520149.9U CN202221520149U CN217981332U CN 217981332 U CN217981332 U CN 217981332U CN 202221520149 U CN202221520149 U CN 202221520149U CN 217981332 U CN217981332 U CN 217981332U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- gas
- sensor
- chemical reaction
- conical shell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，包括：超声换能器模块、气体传感器工作模块；超声换能器模块包括压电换能器、顶部为开口的金属锥形壳体；压电换能器安装于金属锥形壳体上；当对压电换能器施加激励时,压电换能器振动使得金属锥形壳体内产生聚焦声场；气体传感器工作模块包括气体传感器、与气体传感器固定连接的传感器加热电路板；气体传感器位于金属锥形壳体内产生聚焦声场的声场焦点处。本实用新型能够针对不同气体的检测更换传感器的型号进行聚焦超声励振，提高了传感器敏感面上的化学反应速度。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体检测技术领域，具体是一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置。
背景技术
气体传感器因其在检测室内和城市空气质量，检测化工生产废气排放，以及易燃易爆气体检测等方面的各种应用受到越来越多的关注。随着各种气体传感技术的发展，其在医疗健康领域发挥重要的作用，但在实际应用中，存在对低浓度气体检测偏差大、体积大、功耗高等问题。为了解决这一问题很多现有技术采用超声催化理论，通过超声驱动更多的目标气体分子输送到敏感面参与氧化还原反应，从而对敏感面上的氧化还原反应产生催化效果。
专利申请号为“201721505833.9”的专利提供了一种小型化一体式超声辅助性MOS型气体传感器，通过对励振装置施加激励电压产生振动，振动传至金属壳体，再传至壳体腔内的空气形成声场，声场中的声压驱动空气中的气体分子向MOS传感材料表面运动，以提高传感器的灵敏度及检测精度，结构紧凑，体积小，易于大规模生产和装配。但是该专利主要集中于实现一体式、小型化气体传感器的设计，其压电圆环直接粘贴在传感器上，该专利使用的传感器是MP型传感器(平面半导体气体传感器)，压电圆环的选用受制于传感器的外形，在选用压电圆环时需要对压电圆环和传感器粘贴做阻抗匹配，以达到最好的超声效果，若需要检测不同气体更换不同类型的传感器，需要重新做阻抗分析、声压计算，安装相应与之阻抗匹配的压电圆环，这种操作相对更加繁琐。此外，针对一些类型的传感器无法进行如此设计，例如：若选用MQ型传感器，由于MQ型传感器外壳是丝网结构，属于柔性结构，压电圆片或圆环粘接后，振动模态会受影响，超声效果也会受到影响。小型化一体式超声辅助性MOS型气体传感器中的气体置换的入口是依赖于所使用的MP型传感器外壳顶端的网状结构的大小，气体置换容易受传感器外壳的相对尺寸影响。
实用新型内容
实用新型目的：针对以上缺点，本实用新型提供一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，能够针对不同气体的检测更换传感器的型号进行聚焦超声励振且对于传感器进行超声催化过程中气体置换不受传感器外壳尺寸的影响，提高了传感器敏感面上的化学反应速度，实现低浓度气体检测并减少损耗。
技术方案：为解决上述问题，本实用新型采用一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置；包括：超声换能器模块、气体传感器工作模块；
超声换能器模块包括压电圆片、顶部为开口的金属锥形壳体；压电圆片安装于金属锥形壳体上；当对压电圆片施加激励时，压电圆片振动使得金属锥形壳体内产生聚焦声场；气体传感器工作模块包括气体传感器、与气体传感器固定连接的传感器加热电路板；气体传感器位于金属锥形壳体内产生聚焦声场的声场焦点处。
进一步的，金属锥形壳体为中心对称的锥形铝壳，金属锥形壳体的底部直径范围为20-28mm、底面厚度范围为0.5-1.0mm、侧壁厚度范围为0.5-1.0mm。
进一步的，超声换能器模块还包括第一铜片、第二铜片、换能器固定底座；第二铜片固定于金属锥形壳体的底部，固定于第二铜片底面的第一铜片与压电换能器固定连接；第一铜片与第二铜片均固定于换能器固定底座上。
进一步的，气体传感器工作模块还包括传感器固定底座，传感器加热电路板固定于传感器固定底座上。
进一步的，压电换能器选用压电圆片或压电圆环或夹心式压电换能器。
进一步的，金属锥形壳体的侧壁开设开孔或槽，所述开孔的直径或槽的宽度小于超声换能器模块生成的振动波长的四分之一。开设开孔或槽可以使更多目标气体进入壳体内。
进一步的，对压电换能器施加激励频率范围为20kHz-100MHz。
进一步的，气体传感器包括陶瓷管以及位于陶瓷管外表面的敏感材料涂层。
有益效果：本实用新型所述一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置相对于现有技术，其显著优点是：1、通过将生成超声聚焦的超声模块与气体传感器的分离设计，可以针对不同目标气体的检测更换传感器的型号；2、采用壁厚小，质量轻，体积小的锥形铝壳进行超声聚焦，达到需要的超声效果的同时振动的热损耗更小，散热更好；3、本申请能够根据超声效果要求的不同更改铝壳大小，本装置的气体置换不易受到金属壳体结构和传感器相对尺寸的影响。
附图说明
图1所示为本实用新型所述装置的结构示意图；
图2所示为本实用新型中所述超声换能器模块Ⅰ的结构示意图；
图3所示为本实用新型中所述气体传感器工作模块Ⅱ的结构示意图；
图4所示为聚焦超声励振原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案进一步说明。
如图1所示，本实用新型采用一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，具体包括超声换能器模块Ⅰ、气体传感器工作模块Ⅱ。
如图2所示，超声换能器模块Ⅰ包括压电换能器1、顶部为开口且呈中心对称的金属锥形壳体2、第一铜片3、第二铜片4、换能器固定底座5。所述压电换能器1粘贴在第一铜片3的下表面，第一铜片3与第二铜片4粘接，第二铜片4粘接在金属锥形壳体2的下表面。换能器固定底座5具有底座和两个支撑柱，两个支撑柱分别位于压电换能器1、金属锥形壳体2的两侧，第一铜片3的一端通过螺栓与换能器固定底座5的一个支撑柱顶部连接，第二铜片4的一端通过螺栓与换能器固定底座5的另一个支撑柱顶部连接。
其中，压电换能器1可选用压电圆片或压电圆环或夹心式压电换能器。金属锥形壳体2的内径可随壳体高度线性呈阶梯型变小或按照指数规律变小，其侧壁可开设开孔或周向槽或径向槽，所述开孔的直径或槽的宽度小于超声换能器模块Ⅰ通过施加激励生成的振动波长的四分之一。
如图3所示，气体传感器工作模块Ⅱ包括气体传感器6、传感器加热电路板7、传感器固定底座8。所述传感器加热电路板7通过螺栓连接在传感器固定底座8上。气体传感器6是管状旁热式气体传感器，具体包括氧化铝陶瓷管、加热电阻丝、测试电极、敏感材料涂层；加热电阻丝从陶瓷管内部穿过形成加热电极；陶瓷管两端各绕一圈Au电极，连接Pt丝形成测试电极；加热电极、测试电极通过导线或者其他导电材料形成引脚与传感器加热电路板7连接。敏感材料均匀涂抹在陶瓷管表面形成敏感材料涂层，经高温烧成后制得管状旁热式气敏元件，敏感材料可选用：SnO2，ZnO，TiO2，WO3，Fe2O3，In2O3，NiO，MSnO3。
如图1所示，超声换能器模块Ⅰ与气体传感器工作模块Ⅱ通过螺柱9连接；当对压电换能器1施加激励时，超声换能器模块Ⅰ整体会产生与激励同频率的径向振动，振动通过金属锥形壳体2内空气中形成聚焦声场，气体传感器6安装于聚焦声场的焦点处。本装置中施加的激励频率范围可选用20kHz-100MHz。
具体实施例中，压电换能器1选用单边压电圆片，其直径为20mm，厚度为2mm。金属锥形壳体2选用锥形铝壳，其底面直径为24mm，底面厚度为1.0mm，侧壁厚度为0.9mm，侧壁倾斜角度为3°，高度为18mm。气体传感器6选用MQ-6可燃气体传感器，工作电压为5V。针对压电换能器1施加的激励频率为121.5kHz，激励电压峰峰值为10V，超声换能器模块Ⅰ在气体传感器传感表面产生的声压为4.5x104Pa。
利用本实用新型所述装置进行实验操作，操作环境温度为20±1℃，相对湿度为40％±5％，实验选用的目标气体为氢气(Hydrogen)，施加超声后，当目标气体浓度为400ppb-100ppm，气体传感器的传感响应均比没有超声时得到提高，在目标气体分子为400ppb时，超声对传感器的传感响应是没有超声时传感响应的5.5倍。并且，在施加超声后，降低了氢气的检测下限，实验检测到的氢气检测下限为110ppb。
本实用新型的工作原理：如图4所示，对压电换能器1施加激励电压，压电换能器1连带金属锥形壳体2一起发生振动，金属锥形壳体2发生径向振动，振动在壳体内空气中形成聚焦声场，气体传感器6位于声场焦点10处，背景气体中更多的目标气体分子由于超声波的作用被驱动到气体传感器6并与气体传感器6上的敏感材料接触，提升敏感材料与目标分子之间的氧化还原反应速率，从而增加传感器的传感性能，从而实现低浓度气体检测。
更具体的，气体传感器的敏感面(即敏感材料涂层)附近存在超声场时，其附近的气体分子会获得超声场产生的势能(声学势能)
其中，Ep是因超声场引起的势能，p是气体分子所在位置的声压，ρ0是没有超声场时的气体密度，c是气体中声速，R气体分子的半径，V0是气体分子的体积。敏感面表面存在着一个声学边界层；在该边界层中及其附近，由于气体粘性随声场对声场有显著的影响，越接近敏感面，声压越小。因此，作用做气体分子上的声学驱动力
会指向敏感面。敏感面上声学边界层中及其附近的声压会随着与敏感面之间的距离的减少而减少；因此，敏感层附近气体分子的声学势能会随着与敏感面之间距离的减少而减少，而空间梯度引起的作用在气体分子上的力(声学驱动力)会指向敏感面，该声学驱动力会将更多的目标气体分子输送到气体传感器的敏感材料面参与氧化还原反应，从而对敏感面上的氧化还原反应产生催化效果。
Claims (8)
1.一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，包括：超声换能器模块、气体传感器工作模块；
超声换能器模块包括压电换能器(1)、顶部为开口的金属锥形壳体(2)；压电换能器(1)安装于金属锥形壳体(2)上；当对压电换能器(1)施加激励时，压电换能器(1)振动使得金属锥形壳体(2)内产生聚焦声场；
气体传感器工作模块包括气体传感器(6)、与气体传感器(6)固定连接的传感器加热电路板(7)；气体传感器(6)位于金属锥形壳体(2)内产生聚焦声场的声场焦点处。
2.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，金属锥形壳体(2)为中心对称的锥形铝壳，金属锥形壳体(2)的底部直径范围为20-28mm、底面厚度范围为0.5-1.0mm、侧壁厚度范围为0.5-1.0mm。
3.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，超声换能器模块还包括第一铜片(3)、第二铜片(4)、换能器固定底座(5)；第二铜片(4)固定于金属锥形壳体(2)的底部，固定于第二铜片(4)底面的第一铜片(3)与压电换能器(1)固定连接；第一铜片(3)与第二铜片(4)均固定于换能器固定底座(5)上。
4.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，气体传感器工作模块还包括传感器固定底座(8)，传感器加热电路板(7)固定于传感器固定底座(8)上。
5.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，压电换能器(1)选用压电圆片或压电圆环或夹心式压电换能器。
6.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，金属锥形壳体(2)的侧壁开设开孔或槽，所述开孔的直径或槽的宽度小于超声换能器模块生成的振动波长的四分之一。
7.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，对压电换能器(1)施加激励频率范围为20kHz-100MHz。
8.根据权利要求1所述气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置，其特征在于，气体传感器(6)包括陶瓷管以及位于陶瓷管外表面的敏感材料涂层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221520149.9U CN217981332U (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221520149.9U CN217981332U (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN217981332U true CN217981332U (zh) | 2022-12-06 |
Family
ID=84269510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202221520149.9U Active CN217981332U (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN217981332U (zh) |
-
2022
- 2022-06-17 CN CN202221520149.9U patent/CN217981332U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20070028668A1 (en) | Molecule detection sensor, detection sensor, and gas transferring pump | |
| EP2812576B1 (en) | Systems and methods for electrochemical detection in a disc pump | |
| US8156789B2 (en) | Gas sensor chip and gas sensor provided therewith | |
| US8349611B2 (en) | Resonant sensors and methods of use thereof for the determination of analytes | |
| Jin et al. | Multichannel monolithic quartz crystal microbalance gas sensor array | |
| JP2008532036A (ja) | 光音響分光法の検出器及びシステム | |
| JP2008529033A (ja) | バイパス一体型流体センサ装置およびその製造方法 | |
| JP2007248323A (ja) | 分子検出センサ | |
| CN217981332U (zh) | 一种气固界面化学反应的超声催化及其聚焦超声励振装置 | |
| CN112191284A (zh) | 微流控超声电化学片上实验室分析平台 | |
| WO2012154029A1 (en) | A gas sensing system | |
| Su et al. | Physical principle of enhancing the sensitivity of a metal oxide gas sensor using bulk acoustic waves | |
| CN112504966A (zh) | 一种用于光声光谱检测的硅音叉传声器 | |
| CN115318350A (zh) | 一种微流控芯片分析仪、微流控芯片及检测方法 | |
| CN112689376B (zh) | 一种采用压电材料的微波等离子体射流激发装置 | |
| EP3586331A1 (en) | Multi-element bending transducers and related methods and devices | |
| JP2010255447A (ja) | 送風デバイス駆動装置および送風デバイス駆動方法 | |
| JP2006220508A (ja) | ガスセンサ | |
| Yang et al. | An ultrasonically catalyzed conductometric metal oxide gas sensor system with machine learning-based ambient temperature compensation | |
| TWM574228U (zh) | 具微粒偵測模組之行動裝置 | |
| KR20090124789A (ko) | 캔틸레버 구조체의 공진특성 측정장치 및 그 측정방법 | |
| CN207457138U (zh) | 一种小型化一体式超声辅助型mos气体传感器 | |
| JP2006208123A (ja) | スート測定素子 | |
| CN106770642A (zh) | 水分测量装置和方法、兰姆波传感器及气体湿度测量方法 | |
| JP2007192650A (ja) | Ｑｃｍセンサーおよびｑｃｍセンサー装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |