聚焦超声作用下SnO2气体传感器响应特性研究

王 洋,苏松飞,徐浩然,杨 柳,李 胜

(1. 南京工程学院机械工程学院, 江苏 南京 211167;2. 南京工程学院工业中心/创新创业学院, 江苏 南京 211167)

金属氧化物半导体气体传感器是基于敏感层电阻值变化实现目标气体浓度测量,当空气中存在目标气体时,敏感材料会与目标气体分子发生氧化还原反应引起敏感层电阻值变化.常见的敏感材料有SnO2、WO3、ZnO、TiO2、In2O3等,其中最常用的为材料SnO2,其工作温度在100～400 ℃.金属氧化物半导体气体传感器工作原理简单、响应速度快、耐久性好、性能可靠、价格便宜,是目前使用最多的一种气体传感器,但是其灵敏度相对于电化学、光学等气体传感器偏低,如何提升氧化物半导体气体传感器性能是传感器领域研究热点之一[1-3].

常见的提升氧化物半导体气体传感器性能的优化方法有形貌优化、贵金属修饰、材料复合、紫外光催化等[4-6].这些方法经过多年研究已经使氧化物半导体气体传感器性能得到大幅提升,但改善传感器性能效果有限、成本较高.利用超声波辅助方法可以提升气体传感器性能,为了使超声波对气体传感器性能提升效果更明显,本文提出利用聚焦超声波提升金属氧化物半导体气体传感器性能.

1 传感器系统设计

聚焦超声辅助型气体传感器是利用聚焦超声提升气体传感器性能,整个传感器系统包括聚焦超声换能器和氧化物半导体气体传感器两个部分.

1.1 聚焦超声换能器

聚焦超声换能器的作用是将声场能量集中在声场中某一较小的固定区域.兰杰文超声换能器具有结构稳定、能量转换效率高等优点,考虑其结构的简单性、加工方便性和性能的稳定性,本文在聚焦超声换能器设计时选择以兰杰文超声换能器为主体,在换能器的辐射面粘接聚焦声透镜结构实现声场聚焦功能[7-8].在实际应用中,可以将超声换能器质量块与聚焦声透镜结构一体加工,提高一致性.

图1为聚焦超声换能器结构图,其中兰杰文超声换能器型号为HNC-4AH-2560(苏州海纳科技有限公司),高度33 mm,底部圆形辐射面直径30 mm.聚焦声透镜是在直径30 mm、高18 mm的圆柱体底部挖去一个半径为14 mm的半球形成的,表面打磨光滑,其材质与超声换能器相同,均为硬铝.为保证聚焦超声换能器性能稳定,聚焦声透镜与换能器底部辐射面之间采用环氧树脂胶粘接,粘接完毕后干燥24 h以保证粘接的可靠性.

图1 聚焦超声换能器结构图(mm)

由兰杰文换能器与聚焦声透镜组成的聚焦超声换能器的振动模态相比原超声换能器会发生改变.利用多普勒激光测振仪(PSV-300F-B)对聚焦超声换能器下表面圆环平面进行振动特性测试,测量结果如图2所示,由图2可见,聚焦超声换能器在驱动频率为49.2 kHz时发生共振.

图2 聚焦超声换能器频率特性

1.2 气体传感器元件

在聚焦超声辅助型气体传感器中,传感器选用普通MP-4型气体传感器(郑州炜盛电子科技有限公司),敏感材料主体为SnO2,属于N型氧化物半导体材料,工作时通过测量敏感层电阻值计算空气中目标气体的浓度.MP-4型气体传感器除酒精外对甲醛、丙酮、甲烷、甲苯等气体具有兼容性,是一款适用于多种场合的低成本气体传感器.

MP-4型气体传感器结构如图3(a)所示,由电极、陶瓷加热板、敏感材料和外壳等部分组成,敏感材料覆盖在陶瓷加热板上,共有4个电极,2个用于测试,2个用于加热供电.图3(b)为传感器的测试电路,包括SnO2敏感材料(电阻值RS)、加热片、可调电阻RL、直流电源VS(5.0±0.1 V)和输出电压VO,陶瓷加热板加热激活敏感材料气敏特性,通过测量输出电压VO和可调电阻RL值即可换算得到敏感材料电阻值RS.试验中,为了让超声波能够更好地作用于敏感材料以及测试方便,将传感器金属外壳去除.

(a) MP-4型气体传感器结构示意图

2 声场分析

声场中具有声压、声流场、声辐射力等多种物理效应,声压是提高气体传感器性能的主要因素.为了使气体传感器性能获得最大提升,需将其置于聚焦声场中声压最强处,所以在试验测试前需找出声场中声压最强位置.

2.1 有限元模型建立

由于聚焦声场中聚焦区域较小,声压大小无法通过仪器进行测量,本文利用有限元软件COMSOL Multiphysics计算聚焦超声换能器工作时声场中的声压分布[9-10],步骤为:

1) 利用压电耦合模块计算输入电压为20 Vp-p,频率为49.2 kHz时聚焦超声换能器的振动特性;

2) 将计算结果导入声固耦合模块计算声场中的声压分布.

本文中聚焦超声换能器为中心对称结构,其产生的声场也是中心对称型,可以将计算模型简化为二维模型.图4为声场计算有限元模型,声场定义为半球形,位于超声换能器正下方,半球形声场外侧设置厚度为2 mm的完美匹配层.计算网格划分采用自由三角网格划分法,最小单元尺寸为0.139 mm,完美匹配层最小单元尺寸为0.542 mm,远小于声场波长(λ=v/f=5.59 mm),可以用于计算.COMSOL Multiphysics计算所用到的空气参数如表1所示.

表1 COMSOL Multiphysics计算所用到的空气参数表

图4 声场计算有限元模型

2.2 有限元计算结果分析

图5为利用有限元计算得到的聚焦超声场中声压分布图.由图5可见,聚焦换能器将声场能量聚焦在焦点附近,焦点附近声压最强.当传感器置于焦点附近区域时气体传感器性能提升最大.

图5 聚焦声场中声场分布

3 性能测试与分析

为了验证聚焦超声对传感器性能提升的效果,对传感器的性能进行试验测试对比.

3.1 试验装置

图6为聚焦超声作用下气体传感器性能测试平台,将聚焦超声换能器置于气体传感器上方,气体传感器固定于一个三维移动平台上,利用三维移动平台控制气体传感器在声场中的位置.整个试验测试平台置于密封实验箱中.试验中选用的测试气体为酒精,其浓度控制通过微量进样器抽取一定体积酒精液体在试验箱中挥发实现.

图6 气体传感器性能测试装置

3.2 试验测试

由于聚焦声场中能量分布不均匀,为了确定气体传感器性能增幅最大位置,将气体传感器在一定浓度目标气体的声场中按一定规律移动并观测传感器电阻变化.试验中目标气体酒精浓度为10-5cm3/m3、换能器振动频率为49.2 kHz、驱动电压为20 Vp-p、换能器下表面的振动速度为168 mm/s.

图7为传感器在z、r轴不同位置时的电阻值曲线图.由图7可见,气体传感器在z、r轴都为0时电阻值最小,说明在该位置性能提升效果最大,对比有限元计算结果可知此位置为声场焦点区域,即聚焦区域声压最大,对传感器性能增强效果最好.

(a) 传感器沿z轴移动

图8为传感器在聚焦声场焦点位置时有超声和无超声作用下气体传感器检测酒精时电阻值与酒精气体浓度之间的关系,换能器振动频率为49.2 kHz、驱动电压为20 Vp-p、换能器下表面的振动速度为168 mm/s.由图8可见,在超声作用下传感器电阻值比无超声时大幅降低,且气体浓度越低,电阻值降低幅度越大,说明在超声作用下目标气体反应增强,且目标气体浓度越低效果越明显.

图8 超声作用下传感器电阻值与气体浓度关系

声场物理效应中声场强度会影响气体传感器的表面温度,声场越强声流速度越大,对传感器的初始温度影响越大.图9为传感器温度与电阻值之间的关系曲线,传感器温度越低其电阻值越小;图10为传感器位于聚焦声场焦点位置时气体传感器温度与换能器振动速度之间的关系曲线,传感器温度随换能器振动速度增大而降低.因此,传感器电阻值的变化除了与目标气体有关,也有可能与传感器温度变化有关.

图9 传感器电阻值与温度关系

图10 传感器温度与换能器辐射面振动速度关系

传感器灵敏度计算公式为:

γ=(RS,0-RS,g)/RS,g

(1)

式中:RS,g为传感器在目标气体中的电阻值;RS,0为传感器在洁净空气中的电阻值.

图11为聚焦超声作用下传感器灵敏度与目标气体浓度之间的关系曲线,由图11可见,在聚焦超声作用下传感器灵敏度大大提升,在酒精浓度为10-5cm3/m3时灵敏度提高了4.5倍左右.

图11 超声作用下传感器灵敏度与气体浓度关系

图12为气体传感器检测浓度10-5cm3/m3酒精气体时在聚焦超声与非聚焦超声条件下传感器灵敏度与换能器输入功率之间的关系.由图12可见,聚焦超声对传感器灵敏度的增强效果远大于非聚焦超声,随着换能器输入功率增大对传感器灵敏度增幅由大变小.导致该现象的原因是声压增大的初始阶段可以大幅增加传感器灵敏度,当声压增大到一定的程度后,传感器表面氧化还原反应渐渐饱和,同时声流场作用下传感器表面温度降低也在一定程度上降低了氧化还原能力.

图12 传感器灵敏度与换能器输入功率之间的关系

为了验证聚焦超声作用下气体传感器检测其他气体的性能,增加丙酮和丁烷作为试验测试目标气体,试验中气体传感器处于焦点位置,频率为49.2 kHz、驱动电压为20 Vp-p、气体浓度为10-5cm3/m3.图13为试验测得聚焦超声作用下MP-4气体传感器对三种不同目标气体的灵敏度和换能器辐射面振动速度之间的关系.由图13可见,在聚焦超声作用下传感器对不同目标气体的响应均得到大幅增强,但是对于不同的目标气体,相同超声作用下增幅不同,检测丙酮气体灵敏度增幅最大,丁烷气体增幅最小.这与传感器对目标气体的选择性有关.超声作用属于物理催化效应,虽然提升了气体传感器的灵敏度,但没有改善气体传感器的选择性.

图13 不同目标气体在超声作用下灵敏度与换能器辐射面振动速度关系

3.3 原理分析

在声场作用下,传感器敏感层附近声压呈周期性变化,在声压正半周期,传感层表面附近空气被压缩,推动更多的目标气体分子到传感层表面与敏感材料反应;在声压负半周期,传感层表面附近空气膨胀,使得部分吸附在传感层的气体分子去吸附,减弱氧化还原反应.但是,由于目标气体分子与敏感材料分子之间存在化学键作用,声压负半周气体分子被化学键牵引,脱离的气体分子小于正半周吸附的气体分子,因此,在一个周期内,声压可以驱动更多的气体分子至传感层表面,从而增强传感器的响应.

4 结语

本文提出利用聚焦超声增强普通氧化物半导体气体传感器性能,聚焦换能器由普通兰杰文超声换能器粘接聚焦声透镜构成,结构简单、性能稳定、加工方便.聚焦超声换能器可以将声场能量聚集在焦点附近,相比非聚焦超声换能器,将气体传感器置于焦点附近可实现在较小能量消耗情况下获得较大的性能提升.通过试验对比发现,在排除温度对传感器性能的影响下,聚焦超声最大可将气体传感器灵敏度提升至原来的4倍.聚焦超声作用下气体传感器检测不同的目标气体时灵敏度均有较好的提升效果.综上所述,利用聚焦超声换能器提升气体传感器性能在灵敏度、能耗和稳定性方面均有良好的效果,为气体传感器研究提供了新的思路.