关于电化学甲醛传感器的组成

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关于电化学甲醛传感器的组成

工采网 发表于 2020-08-03 14:52:00

家电类产品对传感器的应用

家电类产品随着消费者对检测可视化及便于感知的需求,对于不同类型的传感器的应用也各有不同,此文重点展示现有应用比较广泛的家电类产品所涉及到的传感器,传感器包括PM2.5粉尘传感器,甲醛传感器,VOC传感器,温湿度传感器,CO2传感器等等,对传感器的发展情况、技术原理和技术水平现状、现有主要厂家、主要产品和应用情况等进行汇总总结。

1.PM2.5激光粉尘传感器

1.1 检测技术原理

关于电化学甲醛传感器的组成

激光器的定时开关(一般为200ms-500ms之间)形成两个电流信号值,此电流信号值通过信号转换器转化为电压信号,通过电压放大器把电压信号放大,然后通过MCU端计算两个电压信号的差值计算出对应的粉尘个数n与基准PM2.5检测设备输出值的对应关系。最终形成检测2.5值P与粉尘个数n之间的线性关系:

P=K*n+b

其中P为检测设备输出的2.5数值(检测设备一般选用TSI8530作为基准),K值为对应的P与离子个数n之间的线性相关性,即斜率;b为对应的截距。

通过反复拟合输出PM2.5值与离子个数n的关系,最终形成相应的线性关系,烧录到对应的传感器MCU中,形成传感器对应的数字输出值。

PID控制器可以理解为通过计算反馈风扇额定设定转速与实际转速的差值对应的占空比的差值变化进行相应的补偿,使风扇转速尽可能的接近设定额定转速,从而保证传感器对应的进气量恒定,从而保证单位时间内气流的稳定。

1.2 传感器组成

PM2.5激光粉尘传感器主要由激光模组,风扇,MCU等组成;激光膜组行业主流产品为:罗姆,QSI和索尼为主,同时对于民用产品一般激光膜组的温度选择多为50℃的,而对于车规级别的多数为70℃;风扇多选用DC直流风扇,包括风普利,永诚创,台达,建准等,风扇转速一般控制在4000r/min左右,各家产品略有差异;产品的差异性主要体现在测试系统的稳定性及一致性方面。

1.3 传感器的性能技术指标

目前此行业相对技术比较成熟,技术指标基本上都控制在100μg/m?以内为±10μg/m?,100μg/m?以上标称都为±10%的偏差!

但同时不可避免的存在着因为各家传感器标定筛选过程的差异,会导致产品及品牌的认知度存在不小的差异!

传感器验证四步法:demo板接10pcs传感器,然后正常使用情况下连续工作1个月左右(过程中可一段时间用香烟刺激一次,看传感器数据的变化!),然后听传感器是否有异音等问题,看传感器数据一致性是否有变化,摸传感器震动是否超标或过大;对于正常的传感器来说,只需要保证传感器本身的一致性就可以,无需去强调判断传感器的准确性(准确性是相对的,而且根据传感器所装结构的差异,也会存在测试调试过程);部分传感器存在正常使用很难到0的问题,这个跟传感器厂家本身对传感器的设定有关,验证方法为:用手堵住传感器进气口后观察传感器能否在3-5s内到0。

另:用此类家用级别的激光粉尘传感器测试PM10,此数据的来源大多数厂家通过比例系数换算的方式获取,所以用2.5传感器显示PM10准确性很差,这也跟PM10在空气中的运行方式及不均匀性有关。

1.4 PM2.5传感器推荐

日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器 - TF-LP01是利用散射原理对空气中粉尘颗粒进行检测的小型模组,具备体积小、检测精度高、重复性好、一致性好、实时响应可连续采集、抗干扰能力强、采用超静音风扇,传感器出厂100%检测和标定等优点。

关于电化学甲醛传感器的组成

日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器TF-LP01特点:

检测精度高

响应时间短

产品小型化

日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器TF-LP01应用:

空气净化器、便携式空气质量检测设备、智能家居等场所。

2 甲醛传感器

2.1 甲醛传感器的种类划分

①甲醛氧化物气体传感器,灵敏度和恢复-响应特性也都达到了一定的高度,但选择性不高,主要是甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氢、氨气、酒精、液化气、汽油等的干扰,但不同的气敏元件的干扰气体不同,可采用复合掺杂的方法提高其选择性。另外,适当利用传感器的电阻-温度特性可提高甲醛气体氧化物传感器的选择性,减小材料颗粒、增大比表面积和改善气敏材料的制备工艺从而提高气敏材料的质量可以使气敏元件的灵敏度和响应-恢复特性进一步提高。

②可视化荧光甲醛传感器的选择性较好,线性响应也较好,它不需要借助任何光谱仪器就能进行可视化测定,但其恢复-响应特性和灵敏度都有待进一步提高。可用于定性和半定量的可视化的检测甲醛。 ③声表面波甲醛气体传感器受温度、湿度影响,要进行温度、湿度补偿,选择性和灵敏度都不高。寻找对甲醛选择性更好,吸附力更强,敏感度更高的敏感薄膜和提高薄膜涂覆的质量是提高其气敏性能的两个方向。

④甲醛气体分子筛传感器的选择性和灵敏度都有待进一步研究,恢复-响应特性也还有待进一步提高。如果能找到新的、对甲醛吸附能力更强的吸附剂,则能提高传感器的性能。

⑤甲醛气体电子鼻(组合传感器)的抗干扰能力强,响应专一,灵敏度高,测量结果精确,检测下限低,恢复-响应特性佳,是多种传感器和计算机技术的综合应用。甲醛气体电子鼻是多种甲醛传感器复合,综合性能较好,是将来甲醛气体传感器研究的重点方向。

甲醛传感器的检测方式包括两种方式,一种为半导体方式,一种为电化学方式,两种检测机理各有优缺点,根据不同的使用场景,具有不同的应用方式;

半导体类型甲醛传感器:主要以MOX等金属氧化物为甲醛敏感材料,主要金属氧化物包括:有半导体氧化铟、氧化锡和氧化锌等。半导体甲醛传感器在一定温度下对甲醛高度敏感,其电阻率随甲醛浓度的升高而降低。通过测量传感器的电阻变化就能检测出室内甲醛含量,但半导体传感器普遍存在灵敏度低和选择性差的不足;但同时存在寿命长的优势,因为半导体金属氧化物几乎无损耗情况,行业内统称为半永久型传感器。

电化学类型甲醛传感器:目前甲醛传感器行业的主流类型,具有一致性好,灵敏度高,响应时间和恢复时间短等特点,但也存在寿命短的问题。

对于电化学甲醛传感器,又包含两种类型,一种为选用固态电解质方案的如EC-Sence的,可以有效的解决温湿度对传感器的零点漂移影响,但同样存在因固态电解质导致的反应不均匀而出现的信号灵敏度差的问题,正常对于低浓度的检测精度不高,但对高浓度环境检测性能较好,所以也决定了此类型的传感器不太适合应用于民用环境。

2.2 检测技术原理

考虑到目前的实际应用效果,重点以电化学甲醛传感器的检测机理进行描述:

目前的甲醛传感器检测甲醛时发生如下的电化学反应:

阳极(工作电极):HCHO+H2O→CO2+4H++4e

阴极(对电极):O2+4H++4e-→2H2O

整个反应方程式为:HCHO+O2→CO2+H2O

电化学传感器结构比较简单,测量范围和分辨率基本能达到室内环境检测的要求,但缺点是所受干扰物质多。由于电解质与被测甲醛气体发生不可逆化学反应而被消耗,故其工作寿命短。

对于甲醛传感器的组合模块,也有相似的甲醛检测过程,但是因为增加上了VOC进行干扰气体的判断(程序逻辑算法优化),可以一定程度上降低其他气体的干扰导致的甲醛突变,同时通过温湿度传感器检测周边温度的变化,调整甲醛传感器零点漂移和温度补偿问题。

2.3 电化学甲醛传感器的组成

电化学甲醛组成一般如下图所示

关于电化学甲醛传感器的组成

1.上塑胶外壳

2.下塑胶外壳

3.透气防水过滤膜(一般有聚四氟乙烯等共聚物等制成,具有优异的防水透气性)

4.透气孔

5.电解质液(一般为硫酸磷酸等酸性电解质的一种或几种混合,也有的是以氢氧化钠、氢氧化钾等碱性电解质的一种或几种混合,也有的是用氯化钠、醋酸钾等中性电解质的一种或几种混合而成。)

6.电极(包括正负电极,目前批量化成熟产品多为两电极类产品)

7.电解基片(目前国内的一些甲醛传感器厂家通过购买达特基片进行封装而成)

8.PCBA

当气体通过扩散方式进入到传感器中时,测其化学性质(如电流,电位,电量等)的变化则可实现物质及含量的测定,传感器的正电极和负电极由一个电解质液隔开,电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作,气体通过微小的透气孔与传感器产生反应,然后再经过透气防水过滤膜,到达电极表面,气体与传感器电极发生反应,以产生充分的电信号,同时防止电解质液出传感器,通过透气防水过滤膜扩散的气体与传感器电极发生反应,传感的电极可以采用氧化反应和还原反应的机理,这些反应由针对备测气体而设计的电极材料进行催化,通过电极间连接的电阻器,与被测气浓度成正比的电流会在正电极与负电极之间流动,通过测量该电流的大小即可确定气体浓度。

2.3 传感器的性能技术指标

电化学甲醛传感器的技术指标,各厂家标称的参数差别不大

 

MEMS 微结构气体传感器发展速度迅猛,目前主流设计结构有三种,即封闭膜式结构(Closed membrane)、桥式结构(Bridge type)和悬臂梁式结构(Suspended type),其核心部件为信号电极、加热电极和气敏材料。对于甲醛传感器的选择,主要关注如下几个指标,从下述指标的优劣确认最合适的传感器。

1. 分辨率 在相同的检测条件下,通入与甲醛浓度相同的干扰气体,传感器电阻在甲醛和干扰气体中,相对稳态时阻值的变化量之比,即:

α = ΔR1/ ΔR2

式中ΔR1为检测甲醛气体元件电阻值的变化量,ΔR2为检测其他气体的电阻值变化量。

传感器的分辨阈值一般在0.05mg/m。

2. 响应时间 处于稳态下的 N 型半导体气体传感器接触到被测气体后,输出的电压值为其稳定值的90%时,所花费的时间为气体传感器的响应时间。T90 :传感器暴露在稳定甲醛浓度下 4T90(4 倍响应时间)时间后,可以认为传感器示数达到稳定。一般为30s左右

3. 恢复时间 当被测气体被迅速排空后,N型半导体气体传感器输出的电压值回复到初态时的10%时,所花费的时间为气体传感器的恢复时间。 T10一般比响应时间长一半左右,大概为45s左右。

4. 一致性 同种材料、同种工艺制作的多个气体传感器在检测同浓度的被测气体时,所输出的信号曲线的相似性。

5. 重复性 同一个传感器对被测气体进行反复多次检测后,检测同浓度的被测气体时,每次检测结果的一致性。

6.甲醛传感器的温湿度影响:电化学甲醛受温度和湿度影响较大,温度越高,输出的A/D值信号越小,对应的输出值越低;湿度越高,信号越强,对应的输出值越高。但相对来说在使用温度范围内0-40℃内,整体数据的影响大概在50%左右,而在一定的湿度范围内,相对应该比例在10%左右,所以温度对甲醛传感器的影响干扰问题必须重点考虑。

7.灵敏度:灵敏度一般是指单位气体浓度对应的被检测量(如:电阻)的变化。它的单位一般是A/ppm,Ω/ppm,1/ppm等。灵敏度和响应度(Response)既有区别又有联系。响应度通常是指一定浓度气氛下,被测量的变化值,它对应的单位是A、Q等。一般来说,相同的气体浓度下,响应度越大,灵敏度越高。

通过对电化学甲醛传感器响应与恢复时间、灵敏度、检出限、分辨力、有效量程、使用寿命和不确定度全面的测试调研,分析其离散程度,求得各指标客观权重及各层级分项指标的隶属度。

其中传感器的不确定度是通过分析具体实验结果,采用相应的不确定度分量评定方法进行估算的。

2.4 甲醛传感器推荐

TB600B 系列甲醛检测模组汇集了诸多来自德国的高精度检测技术,以及德国团 队的设计理念,核心传感器采用全球电化学领域体积最小的德国 EC yense 固态聚合物甲醛传感器。可以替代我们的鼻子去精准嗅出甲醛浓度, 实现精准甲醛气体的监测。 UART 数字式信号输出,省去了客户对传感器应用的了解,以及校准的繁琐工作。

德国EC sensor 甲醛传感器 TB600B特点:

精度高,寿命长

响应速度快,回零快、即插即用

抗中毒性好

使用简单,UART数字信号输出

德国传感器耐久可靠

优良的精度、可重复性、线性、一致性

无需核准,零点无漂移

抗电磁干扰能力强

带固定安装孔,方便安装

第四代甲醛传感器,配方、材料、生产工艺全新改良升级

极强的抗干扰性能,对低浓度乙醇、CO 、芳香烃、异味、烟气,空气 清新剂等有很好的抗干扰能力

全新的微电路设计,即插即用,无需长时间暖机 < 快速响应,快速回零

独立温湿度数字传感器,结合智能算法,环境适应性更强,检测更准确 并长期稳定。

德国EC sensor 甲醛传感器 TB600B应用:

家居及商业场所装饰家具及材料产生的甲醛气体

家居及商业装修后空气污染检测

空气净化器/ 新风系统

净化的效果状况,随时随地可以通过对空气中甲醛的检测,对净化前和净化后的空气品质进行监控,实现自动控制净化和新风设备,实现高效除甲醛,达到洁净的空气环境。车内空气污染检测

在车内鼻子产生了适应性,该检测模组可以实时对空气进行检测,实现与空调联动进行内循环或者外寻循环设置,或者提示开窗通风,或联动车载空气净化器,确保良好的车内空气品质,保证自己是健康和舒适度。

3 VOC传感器/空气质量传感器

3.1 VOC传感器的种类划分

VOC传感器的种类划分与甲醛传感器相似,也可粗分为半导体型传感器和电化学型传感器(其他还包括工业级的PID光离子气体传感器等)两种传感器可以从传感器的外观上加以区分,如下图所示:

半导体类型VOC传感器

 

电化学类型VOC传感器

从检测机理上决定了,半导体型传感器一致性会稍差,但由于金属氧化物的氧化特性,具有半永久特性;电化学传感器因随着电解质的消耗,会存在零点漂移及寿命问题,但一致性会较好。

3.2 检测技术原理

常见VOC气体传感器根据其工作原理主要分为三大类:电化学气体传感器(如电阻、电流、阻抗、电位等)、光学类传感器(包括光谱吸收型、荧光法、可视化法等)以及质量型气体传感器(例如石英晶体微天平和表面声波气体传感器)等。按照气敏材料可以分为半导体金属氧化物材料、有机聚合物材料、无机-有机复合材料等。近年来,气体传感器的发展趋势是微型化、智能化和多功能化。

3.2.1 电化学VOC传感器

电化学VOC传感器的检测原理为VOC气体与气敏材料的表面产生吸附或者反应(物理吸附或者化学吸附),从而引起其电学性质(如电阻、电流、阻抗、电位等)的变化。其中基于半导体金属氧化物的电导型VOC传感器应用最为广泛,在当前的气体传感领域中占有重要的地位。按照其对气体电学检测装置来分,可分为常见的双电极电导型检测系统和三电极场效应管检测系统。按照VOC电学气敏材料可以分为半导体金属氧化物、导电聚合物、纳米材料(典型的纳米材料如零维金纳米簇、一维碳纳米管或硅纳米线以及多维石墨烯等)以及多孔材料等。

电化学或半导体VOC传感器使用过程中,都存在传感器加热组件,使反应介质的温度升高到300℃左右,通过高温使进入传感器上的气体气化,气化过程中检测到电信号的变化,进而转化为相应的数值浓度的过程。

3.2.2 光学VOC传感器(高端仪器)

基于光学信号的气体传感器具有抗电磁场干扰性强,快速灵敏,易于实现对有机气体的在线监测模式等优点。按照工作原理来分,光学传感器的种类有反射干涉法、紫外可见吸光光度法、基于颜色变化的可视化法、荧光法、表面等离子共振法以及光纤传感技术等。光学气敏材料有传统的卟啉及金属卟啉类、荧光染料分子、pH指示剂以及新型的仿生光子晶体等。

3.3 传感器性能技术指标

对于此类型传感器,多数的空净行业应用为定性显示趋势,然后用优良中差的方式展示室内气态污染物的变化情况,同时由于VOC检测基准的规范性无法准确判定传感器实际显示值与实际情况的偏差情况;绝大多数气态污染物的标定物质选择酒精作为标定气体,而标准的标定气体应该选用异丁烯可能更接近于VOC的真实情况。

下图为截取的Fis VOC传感器模块的部分参数说明

与其他气态传感器相似,参数指标的关注点主要为:响应时间,恢复时间,检测范围,灵敏度及衰减--信号强度指标等,同时要考虑传感器的“中毒”现象。

如果考虑数显的问题,就需要关注传感器本身的一致性及衰减情况,需要在应用前提前预估好可能的使用场景等。

3.4 主要传感器推荐

空气质量传感器TGS2602对低浓度气味的气体具有很高的灵敏度,这样还可以对办公室与家庭环境中的废弃物所产生的氨、硫化氢等气体进行检测。该传感器还对木材精加工与建材产品中的VOC挥发性气体如甲苯有很高的灵敏度。由于实现了小型化,加热器电流仅需56mA,外壳采用标准的TO-5金属封装。

空气质量传感器TGS2602特点:

* 对VOC与气味有高灵敏度

* 低功耗

* 对污染空气有高灵敏度

* 使用寿命长

* 应用电路简单

* 体积小

空气质量传感器TGS2602有以下用途:

1.确定某一环境中臭味的发生源以及检验除臭剂的效果;

2.判断食品的鲜度以及调查某种保存方法下食品劣化的速度;

3 检测已刷涂料或油漆的气味浓度以确定它们的干燥程度;

4.利用比较器的输出电压去控制排风机的开、关,自动保持局部环境的空气清洁。

4.CO2传感器

4.1 CO2传感器的种类划分

目前相对准确性高,普及率广的二氧化碳传感器主要是红外吸收式二氧化碳传感器。红外吸收式二氧化碳传感器优势在于测量精度高、选择型好、敏感性与精度高、不受气体浓度影响。此外,还有一些电化学气敏电极式、半导体式、固体电解质、敏感薄层式等类型的二氧化碳传感器。其中,电化学气敏电极式二氧化碳传感器属于pH传感器,容易受各种酸碱气体干扰,且电极中的玻璃膜易受干扰、响应时间长;半导体式二氧化碳传感器选择性差, 误报率较高,且不稳定,易受环境因素影响;固体电解质式二氧化碳传感器材料机械性能 差,价格昂贵,且需要高温工作环境。

同时有一些VOC传感器通过等效显示CO2的方式,展示相应的CO2浓度,原理上描述为:室内环境产生的CO2都是人体活动产生的,人体活动过程中会伴随着其他碳氢化合物(VOC)的释放,通过一定的换算关系实现VOC与aCO2之间的比例换算,从而实现类似于检测CO2的效果。

4.2 检测技术原理

结合目前产品的应用及等效CO2效果较差的情况,本文重点介绍红外吸收式二氧化碳传感器的技术原理。

二氧化碳传感器的结构,不管外观差异多少,最终的组成部分不外乎如下几项:防水透气膜,PCBA(光源+光电转换器)及光室(光通过时光路的检测“暗室”)等组成。当空气中的CO2通过扩散方式进入到检测光路中时,通过把光信号转化为电信号的形式输出出来,通过与标准仪器的标定换算出两者的线性关系。

红外CO2传感器根据测量方式的不同,可分为单通道和双通道,具体检测机理区别

大气通过扩散作用通过防水透气膜进入到光路中,红外光源发出红外光照射到反射弧形面(弧形面的斜率一般控制在30-60°),红外光通过照射或穿透CO2气体时,会产生光强的变化,此变化在热点堆处,通过把光强信号转化为电信号,输出,形成对应的CO2浓度。

从技术原理上,单光源双光束方案,能够有效的降低光源衰减对传感器寿命的影响,可以提高传感器的使用寿命,提高传感器的稳定性。

4.3 传感器性能技术指标

以SenseAir S8为例,对于CO2传感器,我们关注点主要包括:测量范围,精度,重复性,响应时间,一致性,耐候性(工作温度区间),功耗和寿命。

4.4 主要传感器推荐

推荐使用日本进口CO2传感器CDM7160,该传感器采用单光源双波长模式,具有精度高、长期性能稳定、寿命长、体积小等优势。

CDM7160红外二氧化碳传感器(NDIR CO2传感器) 特点:

体积小

红外工作原理

双通道

性能稳定

精度高

CDM7160红外二氧化碳传感器模块(NDIR CO2传感器) 应用:

室内空气质量控制

新鲜空气通风

空调

风扇和窗户自动开启机

医院、图书馆、公共基础设施等室内空气质量在线监测系统

汽车车厢内空气流通控制
       责任编辑:pj

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