專利名稱：一種基于納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及氨氣濃度的在線檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種吸收與反射光譜聯(lián)合使 用的手段檢測氨氣濃度的檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前工業(yè)環(huán)保領(lǐng)域普遍使用的各類傳感器檢測原理各不相同，主要分為三大類 (1)利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器如半導(dǎo)體式(表面控制型、體積控制型、表面電位 型)、催化燃燒式、固體熱導(dǎo)式等。⑵利用物理性質(zhì)的氣體傳感器如熱傳導(dǎo)式、光干涉式、 紅外吸收式等。(3)利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜 離子電極式、固定電解質(zhì)式等。各類氣體傳感器的適用對象也各不相同，并且都存在一些不 可避免的技術(shù)缺陷。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器利用被測氣體的吸附作用，改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通 過電流變化的比較，激發(fā)報警電路。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器，因其反應(yīng)十分靈敏，故廣 泛使用于測量氣體的微漏現(xiàn)象。但是，由于半導(dǎo)體式傳感器易受環(huán)境影響，輸出信號不太 穩(wěn)定。催化燃燒式傳感器是目前最廣泛使用的檢測可燃?xì)怏w的傳感器，具有輸出信號線 性好、指數(shù)可靠、價格便宜、不受其他非可燃?xì)怏w干擾等特點(diǎn)。催化燃燒式傳感器采用惠 斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無焰燃燒，溫度變化導(dǎo)致感應(yīng)電阻的阻 值發(fā)生變化，打破電橋平衡，輸出穩(wěn)定的電流信號。但是催化燃燒式傳感器存在一些無法 克服的弱點(diǎn)。如調(diào)校周期短、易中毒、使用壽命短等。熱傳導(dǎo)式氣體傳感器是依據(jù)氣體的 導(dǎo)熱系數(shù)與空氣的差異來測定氣體的濃度，通過惠斯登電橋電路將導(dǎo)熱系數(shù)的差異轉(zhuǎn)化 為電阻的變化。這種傳感器在待測氣體濃度高時穩(wěn)定性較高，所以，一般用于高濃度氣體 (4% -100% ).，但是該類傳感器存在溫度漂移大、靈敏度低等缺點(diǎn)。電化學(xué)式傳感器是目 前被廣泛使用的另一類檢測毒氣的傳感器，可檢測幾十種有毒氣體。電化學(xué)傳感器的構(gòu)成 是將工作電極、對電極及參比電極放置在特定的電解液中，然后在反應(yīng)電極之間加上足夠 的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，再通過儀器中的電 路系統(tǒng)測量氣體電解時產(chǎn)生的電流，最終由微處理器計算出氣體的濃度。目前，大多數(shù)無機(jī) 有毒氣體的工業(yè)在線檢測采用電化學(xué)傳感器。主要檢測對象有一氧化碳、硫化氫、二氧化 硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環(huán)氧乙烷、氯化氫等。但是電化學(xué)傳感器中由 于電解液的蒸發(fā)或污染常會導(dǎo)致傳感器信號衰降，使得實際使用壽命縮短。根據(jù)電解質(zhì)的 質(zhì)量，使用壽命一般為2年。同時為了保證傳感器有一定的使用壽命，電解液的用量不能太 少，因此限制了該類傳感器的微型化。另一種電化學(xué)式氣體傳感器稱為固體電解質(zhì)氣體傳 感器，該傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產(chǎn) 生離子，從而形成電動勢，電動勢與測量氣體濃度在一定范圍內(nèi)呈正比。但是固體電解質(zhì)傳 感器易在環(huán)境中自然消耗，壽命也很短。光學(xué)類氣體傳感器主要包括干涉式和光吸收式兩大類。干涉式氣體傳感器的基本 原理是應(yīng)用光的干涉現(xiàn)象來測氣體的濃度。利用略作改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀作為儀器，將由一個光源發(fā)出的光分為兩束，分別經(jīng)過待測氣體與基準(zhǔn)氣體傳輸，由于待測氣體與基準(zhǔn) 氣體折射率不同導(dǎo)致兩束光線光程差不同，產(chǎn)生光干涉效應(yīng)，形成干涉條紋。由于光程差與 氣體濃度有關(guān)，因此干涉條紋中包含了濃度信息，故可以根據(jù)記錄干涉紋的變化來得出氣 體的濃度。光干涉式氣體傳感器在理論上有精度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但 從干涉系統(tǒng)的設(shè)計到CCD采集信號要求都非常嚴(yán)格，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不易于實現(xiàn)小型 化.同時易受0)2及水蒸氣及其他環(huán)境因素等的干擾和影響。光吸收式氣體傳感器主要有 紅外吸收式及可見光譜吸收式兩類，紅外吸收式利用不同的氣體對不同頻率紅外光產(chǎn)生吸 收的原理，可用于多種氣體的同時檢測，但是該類儀器的靈敏度并不高，且價格昂貴。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于納米多孔反射傳感材 料的氨氣傳感器。本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于納米多孔反射傳感材料的氨氣 傳感器，它包括通氣箱體、底座、氨敏材料、進(jìn)氣閥門、出氣閥門、光源、光電管、計算機(jī)、入 射光通道、反射光通道；其中，所述底座固定在通氣箱體底部，氨敏材料擱置在底座上，進(jìn)氣 閥門和出氣閥門分別固定在通氣箱體左右兩側(cè)，光電管和計算機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連。本實用新型的有益效果是1、采用反射-干涉法測量氨氣濃度，線性范圍寬，在1 300mg/m3的氨氣濃度范 圍內(nèi)，反射光的強(qiáng)度變化與流經(jīng)氨敏材料表面氣體中氨氣濃度變化成正比。2、采用反射-干涉法測量氨氣濃度，實時性好，可以連續(xù)檢測空氣中氨氣的濃度。3、采用自行研制的氨敏材料對于有毒有害及易燃?xì)怏w呈化學(xué)惰性，對氨氣的響應(yīng) 時間為40s，恢復(fù)時間不大于lmin，信號響應(yīng)及恢復(fù)速度比其他類型的傳感器明顯要快。4、穩(wěn)定性好，使用壽命長達(dá)4年，優(yōu)于現(xiàn)有的同類傳感器。5、在常溫下使用，大大降低了傳感器工作溫度。6、能檢測到lppm的氨氣，靈敏度高。7、使用的氨敏材料做成的傳感器體積小，利于傳感器的微型化，集成化。8、價格低廉，可以快速準(zhǔn)確地測量空氣中微量氨氣濃度，具有廣闊的市場前景。

圖1為用于檢測空氣中氨氣濃度的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為氨敏材料的反射光譜圖，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)是反射光相對強(qiáng)度；黑色實 線為在空氣中的反射光譜圖，紅色虛線為在氨氣中的反射光譜圖；圖3為氨敏材料的反射峰值強(qiáng)度隨氨氣濃度變化的信號響應(yīng)圖，橫坐標(biāo)是時間， 縱坐標(biāo)是相對反射強(qiáng)度；圖中，通氣箱體1、底座2、氨敏材料3、進(jìn)氣閥門4、出氣閥門5、光源6、光電管7、計 算機(jī)8、入射光通道9、反射光通道10。
具體實施方式
本實用新型所涉及的納米光學(xué)傳感器集成了納米光學(xué)材料制備技術(shù)、光纖技術(shù)、光電子技術(shù)等多項技術(shù)。其核心傳感元件-納米光學(xué)材料相比于現(xiàn)有的氣體傳感材料具有 非常顯著的優(yōu)勢。本實用新型制備的納米高反射性多孔材料是一種表面積極大，表面規(guī)整， 孔徑大小均勻的高光反射性材料。其反射波長的寬度可以控制在lOnm以下，最大反射峰 的位置可通過刻蝕參數(shù)的控制任意可調(diào)，其反射峰強(qiáng)度和位置對孔道內(nèi)吸附的氣體非常敏 感。配合各種表面修飾手段可以對氨氣產(chǎn)生選擇性響應(yīng)。如本實用新型所涉及的氨氣傳感 器通過在具有光過濾性能的高反射性多孔材料表面修飾敏感敏感染料分子從而實現(xiàn)對氨 氣的選擇性響應(yīng)。檢測時，將該傳感材料固定于底座，傳感面與氣體接觸?？梢姽庠淳劢购?照射在傳感材料表面，反射信號通過光導(dǎo)纖維傳輸給光譜儀探測器或光電管，實時地將反 射光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)流經(jīng)傳感材料的氣體中氨氣濃度發(fā)生變化時，由于敏感染料 分子吸收光譜的最大吸收峰位置移至(或移出)高反射性多孔材料反射光譜的峰值位置， 因而使反射光強(qiáng)度降低(或增強(qiáng))，使傳感器產(chǎn)生信號輸出發(fā)生變化，并且在一定的氨氣濃 度范圍內(nèi)反射光強(qiáng)度降低值與氨氣濃度呈正比。傳感材料對于常見的有毒有害及易燃?xì)怏w 為化學(xué)惰性，氣體在材料表面的吸附和脫附可逆性極好，因而不僅靈敏度高，信號響應(yīng)及恢 復(fù)速度比其他類型的傳感材料明顯要快。在正常使用情況下使用壽命也比現(xiàn)有的半導(dǎo)體 傳感器、催化燃燒式氣體傳感器及電化學(xué)式氣體傳感器都要高。該新型納米光學(xué)材料的應(yīng) 用將使光學(xué)類氣體傳感器的微型化，集成化，穩(wěn)定性，響應(yīng)速度等各方面指標(biāo)得到進(jìn)一步提 高，不僅可作為工礦企業(yè)的氨氣及易燃?xì)怏w的在線檢測和報警裝置，而且可以用于公共場 所安全預(yù)警、民用室內(nèi)污染性氣體檢測等多個領(lǐng)域。1.氨敏材料的制備將硅片或鋁片固定在電解池中，加入一定的電解液。以硅片或鋁片為陽極，惰性 電極(如鉬電極)為陰極進(jìn)行電解，刻蝕電流輸出正弦或余弦波形，設(shè)定電流密度為10 100mA/cm2之間波動，波形周期控制在5 30秒之間，波形重復(fù)次數(shù)控制在20次到250次 之間。電解結(jié)束后，用乙醇多次沖洗硅片或鋁片，最后用氮?dú)獯蹈?。將多孔硅片或鋁片放在 馬福爐中，在600°C -800°C下快速熱氧化處理15-60分鐘。在高反射性多孔材料表面涂覆 預(yù)交聯(lián)殼聚糖溶液，高分子成膜后，再吸附質(zhì)量濃度為0. 3%的敏感染料溶液，常溫干燥后 即可制成所需的氨敏光學(xué)傳感材料。2.氨氣檢測設(shè)備一種基于納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器，它包括通氣箱體1、底座2、氨敏 材料3、進(jìn)氣閥門4、出氣閥門5、光源6、光電管7、計算機(jī)8、入射光通道9、反射光通道10。 底座2固定在通氣箱體底部，氨敏材料3擱置在底座2上，進(jìn)氣閥門4和出氣閥門5分別固 定在通氣箱體1左右兩側(cè)，光電管7和計算機(jī)8通過數(shù)據(jù)線相連。光源6發(fā)出的可見光經(jīng)入射光通道9照射在氨敏材料3上，氨敏材料3上的反射 光經(jīng)反射光通道10進(jìn)入光電管7，光電管7向計算機(jī)8輸出電信號；氨敏材料3是由一種 多孔的高反射性的材料，由上述方法制備得到。3.氨氣的檢測光源6發(fā)出的光(為可見及紅外光，波長300nm-1100nm)照射到置于通氣箱體1內(nèi) 的氨敏材料3表面，光在氨敏材料3 (具有周期性孔道的高反射性多孔材料)內(nèi)產(chǎn)生反射干 涉現(xiàn)象，當(dāng)氨氣進(jìn)入通氣箱體1后，負(fù)載于高反射性多孔材料表面的敏感染料發(fā)生吸收光 譜的變化。結(jié)合氨氣后的敏感染料吸收光譜區(qū)域與高反射性多孔材料的反射光譜重疊，氨敏材料3的反射強(qiáng)度降低，如圖2所示，其降低程度與氨氣濃度在一定范圍內(nèi)(1 500mg/ m3)呈正比，如圖3所示。光電管7將反射光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，得到的電信號輸入計算機(jī)8， 計算機(jī)8的顯示器上即顯示空氣中氨氣濃度隨時間變化的曲線。
權(quán)利要求1. 一種基于納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器，其特征在于，它包括通氣箱體 (1)、底座(2)、氨敏材料(3)、進(jìn)氣閥門(4)、出氣閥門(5)、光源(6)、光電管(7)、計算機(jī) (8)、入射光通道(9)、反射光通道(10)；其中，所述底座(2)固定在通氣箱體(1)底部，氨敏 材料(3)擱置在底座(2)上，進(jìn)氣閥門(4)和出氣閥門(5)分別固定在通氣箱體(1)左右 兩側(cè)，光電管(7)和計算機(jī)(8)通過數(shù)據(jù)線相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于納米多孔反射傳感材料的氨氣傳感器，它包括通氣箱體、底座、氨敏材料、進(jìn)氣閥門、出氣閥門、光源、光電管、計算機(jī)、入射光通道、反射光通道；底座固定在通氣箱體底部，氨敏材料擱置在底座上，進(jìn)氣閥門和出氣閥門分別固定在通氣箱體左右兩側(cè)，光電管和計算機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連。該實用新型結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、成本低、實時性好、濃度范圍廣，可以快速準(zhǔn)確地測定空氣中的氨濃度，用于工作及生活環(huán)境氨濃度的在線監(jiān)測及氣體泄漏報警。
文檔編號G01N21/31GK201788144SQ20102027241
公開日2011年4月6日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者商云嶺, 孫黎明, 趙偉潔, 鄔建敏, 陸金偉, 馬曄軍 申請人:浙江大學(xué)