王群光醫師的中道自然醫學

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【氫分子生物學】氫氣傳感器檢測方法

 氫氣傳感器檢測氫氣的濃度,特別是液體或生物組織中氫氣的濃度具有很大的優點。根據工作原理的不同,氫氣傳感器分電化學、半導體、熱電和光纖型等四種類 型。金屬氧化物半導體傳感器已經實現工業化。三種物理類傳感器即半導體型、熱電型和光纖型在最近幾年的研究研究比較迅速,本書將簡單介紹這些傳感器的工作 原理。

一、半導體型氫氣傳感器

半導體型氫氣傳感器包括電阻型和非電阻型半導體傳感器。電阻型半導體傳感器主要以氧化錫、氧化鋅和氧化鎢等金屬氧化物作為氣體吸附材料制備成的金屬 氧化物半導體氫氣傳感器。這類氫氣傳感器的工作原理是氫氣被金屬氧化物吸附後,氫氣被氧化釋放出電子,與吸附材料的氧原子結合,利用電化學分析原理通過檢 測電流來檢測氫氣的濃度。半導體型氫氣傳感器主要的缺點是選擇性比較差,容易受到其他還原性氣體,如一氧化碳的干擾。現在有人利用納米技術通過提高傳感器 的物理選擇性提高分析的選擇性,獲得比較明顯的效果,這對於將該技術用於在體氫氣濃度的檢測尤其重要。另外通過添加一定比例對氫氣選擇性好的金屬如鉑,可 以提高敏感性和選擇性。

非電阻型半導體傳感器是通過檢測電容等非電阻電學量來檢測氫氣的濃度,有肖特基二極管型和金屬-氧化物-半導體型場效應管型兩類。在半導體材料上沉積一層 金屬即可制得肖特基二極管型氫氣傳感器。該類型傳感器的檢測原理是,當肖特基二極管傳感器與氫氣接觸吸附後時,氫氣在催化金屬的表面分解為氫原子,氫原子 向內擴散至金屬半導體界面處,在外加的偏置電壓下,界面電容隨外加電壓的變化而變化。這類傳感器最大的特點是可以在高溫下檢測氫氣的濃度。

半導體型氫氣傳感器結構簡單、易集成、易實現器件的小型化、使用壽命長,是一種比較理想的傳感器。但其工作溫度較高,增加了能耗和器件的尺寸,且在使用的過程中易產生電火花,在氫氣體積分數較高的環境下,易引起爆炸。


二、熱電型氫氣傳感器

熱電型氫氣傳感器的組成:首先在基片上沉積一層熱電材料,然後在熱電材料表面的某一部分沉積一層可催化氫氣的金屬(如鉑),最後分別在催化金屬層、熱電薄膜層引出電極,即獲得最為簡單的熱電型氫氣敏感元件。

當此敏感元件暴露在含氫氣的環境中,在催化金屬的作用下,氫氣與氧氣反應生成水蒸氣並放出熱量,於是沉積有催化金屬的一端溫度高,為熱端,無催化金屬的一 端溫度低,為冷端,由於熱電材料的熱電發電效應,將這種熱端與冷端之間的溫差轉換為溫差電勢,以電信號的形式輸出,從而實現對氫氣的檢測。

熱電型氫氣傳感器具有兩大優點:一是不需要外加輔助電源,可以依靠熱電材料直接將溫差轉換為電信號;二是由於使用選擇性比較強的金屬,使氫氣的檢測選擇性比較強。


三、光纖型氫氣傳感器

光纖型氫氣傳感器有微鏡型傳感器和光纖光柵測縫型傳感器。固態氫氣傳感器一般是檢測電信號,一個共同的弊端就是可能產生電火花,對於氫氣濃度比較高的環 境,這存在巨大的安全隱患。光纖傳感器使用光信號,所以,更適合於易爆炸的危險環境,光纖氫氣傳感器大都採用金屬鈀及鈀合金作為氫氣檢測材料,選擇性比較 好。光纖氫傳感技術是測量薄膜透射率、反射率等物理參數改變實現對氫氣濃度的檢測。在具有光柵的光纖鍍一層金屬鈀膜即可得到光纖光柵測縫型氫氣敏感元件。 當此元件放置在氫氛圍中,鈀吸收氫氣後形成鈀的氫化物,鈀膜結構發生形變,導致光柵波長變化,通過測量光柵波長變化檢測氫氣的濃度。

微鏡型氫氣傳感器是在光纖尾端鍍一層鈀或鈀合金膜,得到微反射鏡型光纖氫氣傳感器。當入射光經到達敏感元件,經敏感元件反射後經耦合器進入光檢測器。鈀膜 吸氫後,薄膜反射率發生變化,於是引起光檢測信號變化,通過檢測接收端的光信號實現對氫氣濃度的檢測。這類傳感器原理簡單,目前發展的比較成熟。對氫氣濃 度比較高的環境,採用這類檢測技術有比較強的可行性。

氫氣傳感器的選擇性、安全性、穩定性、靈敏度以及輸出信號弱等問題是限制氫氣傳感器應用的最主要原因,目前這些問題都逐漸得到解決,特別是在光纖傳感器、納米和新型敏感材料等方面的發展將不斷提高氫氣傳感器的技術.

以上文章出自http://www.ckwang.com.tw/n-H2-802.html

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