聚焦超聲作用下SnO2氣體傳感器響應特性研究

王 洋,蘇松飛,徐浩然,楊 柳,李 勝

(1. 南京工程學院機械工程學院, 江蘇 南京 211167;2. 南京工程學院工業中心/創新創業學院, 江蘇 南京 211167)

金屬氧化物半導體氣體傳感器是基于敏感層電阻值變化實現目標氣體濃度測量,當空氣中存在目標氣體時,敏感材料會與目標氣體分子發生氧化還原反應引起敏感層電阻值變化.常見的敏感材料有SnO2、WO3、ZnO、TiO2、In2O3等,其中最常用的為材料SnO2,其工作溫度在100～400 ℃.金屬氧化物半導體氣體傳感器工作原理簡單、響應速度快、耐久性好、性能可靠、價格便宜,是目前使用最多的一種氣體傳感器,但是其靈敏度相對于電化學、光學等氣體傳感器偏低,如何提升氧化物半導體氣體傳感器性能是傳感器領域研究熱點之一[1-3].

常見的提升氧化物半導體氣體傳感器性能的優化方法有形貌優化、貴金屬修飾、材料復合、紫外光催化等[4-6].這些方法經過多年研究已經使氧化物半導體氣體傳感器性能得到大幅提升,但改善傳感器性能效果有限、成本較高.利用超聲波輔助方法可以提升氣體傳感器性能,為了使超聲波對氣體傳感器性能提升效果更明顯,本文提出利用聚焦超聲波提升金屬氧化物半導體氣體傳感器性能.

1 傳感器系統設計

聚焦超聲輔助型氣體傳感器是利用聚焦超聲提升氣體傳感器性能,整個傳感器系統包括聚焦超聲換能器和氧化物半導體氣體傳感器兩個部分.

1.1 聚焦超聲換能器

聚焦超聲換能器的作用是將聲場能量集中在聲場中某一較小的固定區域.蘭杰文超聲換能器具有結構穩定、能量轉換效率高等優點,考慮其結構的簡單性、加工方便性和性能的穩定性,本文在聚焦超聲換能器設計時選擇以蘭杰文超聲換能器為主體,在換能器的輻射面粘接聚焦聲透鏡結構實現聲場聚焦功能[7-8].在實際應用中,可以將超聲換能器質量塊與聚焦聲透鏡結構一體加工,提高一致性.

圖1為聚焦超聲換能器結構圖,其中蘭杰文超聲換能器型號為HNC-4AH-2560(蘇州海納科技有限公司),高度33 mm,底部圓形輻射面直徑30 mm.聚焦聲透鏡是在直徑30 mm、高18 mm的圓柱體底部挖去一個半徑為14 mm的半球形成的,表面打磨光滑,其材質與超聲換能器相同,均為硬鋁.為保證聚焦超聲換能器性能穩定,聚焦聲透鏡與換能器底部輻射面之間采用環氧樹脂膠粘接,粘接完畢后干燥24 h以保證粘接的可靠性.

圖1 聚焦超聲換能器結構圖(mm)

由蘭杰文換能器與聚焦聲透鏡組成的聚焦超聲換能器的振動模態相比原超聲換能器會發生改變.利用多普勒激光測振儀(PSV-300F-B)對聚焦超聲換能器下表面圓環平面進行振動特性測試,測量結果如圖2所示,由圖2可見,聚焦超聲換能器在驅動頻率為49.2 kHz時發生共振.

圖2 聚焦超聲換能器頻率特性

1.2 氣體傳感器元件

在聚焦超聲輔助型氣體傳感器中,傳感器選用普通MP-4型氣體傳感器(鄭州煒盛電子科技有限公司),敏感材料主體為SnO2,屬于N型氧化物半導體材料,工作時通過測量敏感層電阻值計算空氣中目標氣體的濃度.MP-4型氣體傳感器除酒精外對甲醛、丙酮、甲烷、甲苯等氣體具有兼容性,是一款適用于多種場合的低成本氣體傳感器.

MP-4型氣體傳感器結構如圖3(a)所示,由電極、陶瓷加熱板、敏感材料和外殼等部分組成,敏感材料覆蓋在陶瓷加熱板上,共有4個電極,2個用于測試,2個用于加熱供電.圖3(b)為傳感器的測試電路,包括SnO2敏感材料(電阻值RS)、加熱片、可調電阻RL、直流電源VS(5.0±0.1 V)和輸出電壓VO,陶瓷加熱板加熱激活敏感材料氣敏特性,通過測量輸出電壓VO和可調電阻RL值即可換算得到敏感材料電阻值RS.試驗中,為了讓超聲波能夠更好地作用于敏感材料以及測試方便,將傳感器金屬外殼去除.

(a) MP-4型氣體傳感器結構示意圖

2 聲場分析

聲場中具有聲壓、聲流場、聲輻射力等多種物理效應,聲壓是提高氣體傳感器性能的主要因素.為了使氣體傳感器性能獲得最大提升,需將其置于聚焦聲場中聲壓最強處,所以在試驗測試前需找出聲場中聲壓最強位置.

2.1 有限元模型建立

由于聚焦聲場中聚焦區域較小,聲壓大小無法通過儀器進行測量,本文利用有限元軟件COMSOL Multiphysics計算聚焦超聲換能器工作時聲場中的聲壓分布[9-10],步驟為:

1) 利用壓電耦合模塊計算輸入電壓為20 Vp-p,頻率為49.2 kHz時聚焦超聲換能器的振動特性;

2) 將計算結果導入聲固耦合模塊計算聲場中的聲壓分布.

本文中聚焦超聲換能器為中心對稱結構,其產生的聲場也是中心對稱型,可以將計算模型簡化為二維模型.圖4為聲場計算有限元模型,聲場定義為半球形,位于超聲換能器正下方,半球形聲場外側設置厚度為2 mm的完美匹配層.計算網格劃分采用自由三角網格劃分法,最小單元尺寸為0.139 mm,完美匹配層最小單元尺寸為0.542 mm,遠小于聲場波長(λ=v/f=5.59 mm),可以用于計算.COMSOL Multiphysics計算所用到的空氣參數如表1所示.

表1 COMSOL Multiphysics計算所用到的空氣參數表

圖4 聲場計算有限元模型

2.2 有限元計算結果分析

圖5為利用有限元計算得到的聚焦超聲場中聲壓分布圖.由圖5可見,聚焦換能器將聲場能量聚焦在焦點附近,焦點附近聲壓最強.當傳感器置于焦點附近區域時氣體傳感器性能提升最大.

圖5 聚焦聲場中聲場分布

3 性能測試與分析

為了驗證聚焦超聲對傳感器性能提升的效果,對傳感器的性能進行試驗測試對比.

3.1 試驗裝置

圖6為聚焦超聲作用下氣體傳感器性能測試平臺,將聚焦超聲換能器置于氣體傳感器上方,氣體傳感器固定于一個三維移動平臺上,利用三維移動平臺控制氣體傳感器在聲場中的位置.整個試驗測試平臺置于密封實驗箱中.試驗中選用的測試氣體為酒精,其濃度控制通過微量進樣器抽取一定體積酒精液體在試驗箱中揮發實現.

圖6 氣體傳感器性能測試裝置

3.2 試驗測試

由于聚焦聲場中能量分布不均勻,為了確定氣體傳感器性能增幅最大位置,將氣體傳感器在一定濃度目標氣體的聲場中按一定規律移動并觀測傳感器電阻變化.試驗中目標氣體酒精濃度為10-5cm3/m3、換能器振動頻率為49.2 kHz、驅動電壓為20 Vp-p、換能器下表面的振動速度為168 mm/s.

圖7為傳感器在z、r軸不同位置時的電阻值曲線圖.由圖7可見,氣體傳感器在z、r軸都為0時電阻值最小,說明在該位置性能提升效果最大,對比有限元計算結果可知此位置為聲場焦點區域,即聚焦區域聲壓最大,對傳感器性能增強效果最好.

(a) 傳感器沿z軸移動

圖8為傳感器在聚焦聲場焦點位置時有超聲和無超聲作用下氣體傳感器檢測酒精時電阻值與酒精氣體濃度之間的關系,換能器振動頻率為49.2 kHz、驅動電壓為20 Vp-p、換能器下表面的振動速度為168 mm/s.由圖8可見,在超聲作用下傳感器電阻值比無超聲時大幅降低,且氣體濃度越低,電阻值降低幅度越大,說明在超聲作用下目標氣體反應增強,且目標氣體濃度越低效果越明顯.

圖8 超聲作用下傳感器電阻值與氣體濃度關系

聲場物理效應中聲場強度會影響氣體傳感器的表面溫度,聲場越強聲流速度越大,對傳感器的初始溫度影響越大.圖9為傳感器溫度與電阻值之間的關系曲線,傳感器溫度越低其電阻值越小;圖10為傳感器位于聚焦聲場焦點位置時氣體傳感器溫度與換能器振動速度之間的關系曲線,傳感器溫度隨換能器振動速度增大而降低.因此,傳感器電阻值的變化除了與目標氣體有關,也有可能與傳感器溫度變化有關.

圖9 傳感器電阻值與溫度關系

圖10 傳感器溫度與換能器輻射面振動速度關系

傳感器靈敏度計算公式為:

γ=(RS,0-RS,g)/RS,g

(1)

式中:RS,g為傳感器在目標氣體中的電阻值;RS,0為傳感器在潔凈空氣中的電阻值.

圖11為聚焦超聲作用下傳感器靈敏度與目標氣體濃度之間的關系曲線,由圖11可見,在聚焦超聲作用下傳感器靈敏度大大提升,在酒精濃度為10-5cm3/m3時靈敏度提高了4.5倍左右.

圖11 超聲作用下傳感器靈敏度與氣體濃度關系

圖12為氣體傳感器檢測濃度10-5cm3/m3酒精氣體時在聚焦超聲與非聚焦超聲條件下傳感器靈敏度與換能器輸入功率之間的關系.由圖12可見,聚焦超聲對傳感器靈敏度的增強效果遠大于非聚焦超聲,隨著換能器輸入功率增大對傳感器靈敏度增幅由大變小.導致該現象的原因是聲壓增大的初始階段可以大幅增加傳感器靈敏度,當聲壓增大到一定的程度后,傳感器表面氧化還原反應漸漸飽和,同時聲流場作用下傳感器表面溫度降低也在一定程度上降低了氧化還原能力.

圖12 傳感器靈敏度與換能器輸入功率之間的關系

為了驗證聚焦超聲作用下氣體傳感器檢測其他氣體的性能,增加丙酮和丁烷作為試驗測試目標氣體,試驗中氣體傳感器處于焦點位置,頻率為49.2 kHz、驅動電壓為20 Vp-p、氣體濃度為10-5cm3/m3.圖13為試驗測得聚焦超聲作用下MP-4氣體傳感器對三種不同目標氣體的靈敏度和換能器輻射面振動速度之間的關系.由圖13可見,在聚焦超聲作用下傳感器對不同目標氣體的響應均得到大幅增強,但是對于不同的目標氣體,相同超聲作用下增幅不同,檢測丙酮氣體靈敏度增幅最大,丁烷氣體增幅最小.這與傳感器對目標氣體的選擇性有關.超聲作用屬于物理催化效應,雖然提升了氣體傳感器的靈敏度,但沒有改善氣體傳感器的選擇性.

圖13 不同目標氣體在超聲作用下靈敏度與換能器輻射面振動速度關系

3.3 原理分析

在聲場作用下,傳感器敏感層附近聲壓呈周期性變化,在聲壓正半周期,傳感層表面附近空氣被壓縮,推動更多的目標氣體分子到傳感層表面與敏感材料反應;在聲壓負半周期,傳感層表面附近空氣膨脹,使得部分吸附在傳感層的氣體分子去吸附,減弱氧化還原反應.但是,由于目標氣體分子與敏感材料分子之間存在化學鍵作用,聲壓負半周氣體分子被化學鍵牽引,脫離的氣體分子小于正半周吸附的氣體分子,因此,在一個周期內,聲壓可以驅動更多的氣體分子至傳感層表面,從而增強傳感器的響應.

4 結語

本文提出利用聚焦超聲增強普通氧化物半導體氣體傳感器性能,聚焦換能器由普通蘭杰文超聲換能器粘接聚焦聲透鏡構成,結構簡單、性能穩定、加工方便.聚焦超聲換能器可以將聲場能量聚集在焦點附近,相比非聚焦超聲換能器,將氣體傳感器置于焦點附近可實現在較小能量消耗情況下獲得較大的性能提升.通過試驗對比發現,在排除溫度對傳感器性能的影響下,聚焦超聲最大可將氣體傳感器靈敏度提升至原來的4倍.聚焦超聲作用下氣體傳感器檢測不同的目標氣體時靈敏度均有較好的提升效果.綜上所述,利用聚焦超聲換能器提升氣體傳感器性能在靈敏度、能耗和穩定性方面均有良好的效果,為氣體傳感器研究提供了新的思路.