一种基于气体传感器阵列和紫外光强度调制的新技术

金属氧化物半导体气体传感器通常存在选择性不好和工作温度高的问题。传统的基于金属氧化物的气体传感器通常在较高的温度下工作，这进一步增加了能耗。此外，高工作温度可能限制它们在商业和工业应用中的使用，特别是在易爆气体环境中。而且，高工作温度会导致传感器寿命缩短和性能不稳定。为了降低传感器的工作温度，先前的文献中报道了不同的方法，例如表面装饰不同的催化剂材料、掺杂贵金属、紫外（UV）光照射等。其中，紫外光照射因其可降低光催化金属氧化物气体传感器（如TiO₂）的工作温度而引起了广泛关注。

选择性不好是金属氧化物气体传感器的另一个缺点，它可以通过多种技术进行改善。其中一种方案是使用由多种传感元件组成的气体传感器阵列。每个传感元件与目标气体具有特定的相互作用。尽管阵列的每个组件的单独响应不具有区分性，但所有传感元件的组合响应会为每种分析物产生独特的特征。

温度调制是增强选择性的另一主要方法。该技术基于向传感器的加热元件施加可变电压波形，从而可在金属氧化物气体传感器上产生不同的温度。金属氧化物气体传感器的响应与温度强相关，传感器的温度变化导致各种响应模式，提供与气体相关的信息。提取这些信息有助于进行气体识别。

据麦姆斯咨询报道，近日，伊朗德黑兰大学（University of Tehran）和加兹温医科大学（Qazvin University of Medical Sciences）的研究人员组成的团队在IET Science, Measurement & Technology期刊上发表了题为“Intensity modulation of UV light in gas sensor array to discriminate several analytes at room temperature”的论文，提出了一种基于气体传感器阵列和紫外光强度调制的新技术，用于在室温下识别多种还原性气体。

在这项研究中，研究人员制造了基于TiO₂纳米纤维的气体传感器阵列，并对该传感器阵列进行了不同强度的紫外光激励。为了对紫外光进行强度调制，阶梯波形电压被施加到365 nm的紫外LED。为了评估所提出技术的有效性，引入了五种不同的气体作为目标气体，包括不同浓度水平的丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇和一氧化碳（CO）。

气体传感器阵列由两个覆盖有TiO₂纳米纤维的叉指微电极组成。每个传感器由42个电极指对组成，指长、指间隙和指宽分别为3 mm、40 µm和30 µm。TiO₂纳米纤维是通过静电纺丝技术生产的。气体传感器阵列示意图如图1所示。

图1 气体传感器阵列示意图

一些学者已经研究并报道了金属氧化物气体传感器在紫外线照射下的气体传感机理（如图2所示）。

图2 紫外线激励的室温气体传感机理示意图

图3是用于记录所制造的传感器阵列响应的实验设置示意图。实验中使用了一个密封气室（10 L容积）和不同浓度水平的分析物（如丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇和CO，浓度范围为 50至500 ppm）。除CO外，其它分析物均以液态形式通过采样器引入气室，并通过加热器在室中蒸发。预定体积的CO气体通过Hamilton注射器注入气室。小型电风扇被用于使气室的气氛均匀化。紫外LED（365 nm）被用作光源。

图3 实验设置示意图

为了对紫外光进行强度调制，研究人员向紫外LED施加了一个阶梯波形电压。阶梯波形电压包括三个阶梯电压（3.4 V、3.6 V和3.8 V），在与紫外LED确定距离处测得的功率分别约为450、560和680 µW/cm²。图4显示了应用于气体传感器阵列的紫外光强度调制示意图。在每次实验中，气体传感器阵列暴露于分析物中，上述阶梯波形电压被施加到紫外LED上。

图4 应用于气体传感器阵列的紫外光强度调制示意图

图5展示了将获得的实验数据映射到3D特征空间的主成分分析（PCA）结果。如图5所示，所有检测的分析物在室温下被完全区分。研究人员对传感器阵列的重复性进行了10个周期的评估，每个传感器的相对标准偏差（RSD）低于8%。

图5 气体传感测试实验结果

综上所述，本研究提出了一种基于气体传感器阵列和紫外光强度调制的新技术，用于在室温下识别多种还原性气体。所检测的气体为不同浓度的乙醇、甲醇、2-丙醇、丙酮和CO。利用最简单的降维技术，所有目标气体在室温下都得到了显著的分离。本研究首次提出了基于紫外光强度调制的真实阵列和虚拟阵列相结合的方法，有望为研究光催化金属氧化物气体传感器的选择性开辟一条有效途径。所提出的技术可以增加每种分析物的特定特征数。该方法的其他优点还包括：延长传感器的使用寿命、无需温度控制电路以及可检测易燃气体等。该技术具有成本效益，可用于制造便携式气体识别系统。所提出的技术有望满足许多气体传感应用的需要。

审核编辑：刘清