電気化学センサーについて何を知っていますか

電気化学センサーは、分析対象物の電気化学的特性を利用して化学量を電気量に変換し、感知および検出するタイプのセンサーです。

最も古い電気化学センサーは、酸素の監視に使用されていた 1950 年代にまで遡ります。また、1980 年代には、さまざまな有毒ガスの監視に使用され、優れた感度と選択性を示しました。

Ⅰ. 電気化学センサーの動作原理

 電気化学センサーは、測定対象のガスと化学的に反応し、ガス濃度に比例した電気信号を生成することで機能します。ほとんどの電気化学ガスセンサーは、ガス濃度に比例した電流を生成します。

 電気化学ガスセンサーは次のように動作します。センサーと接触するターゲットガス分子は、まず結露を防ぎ、防塵バリアとしても機能するダイヤフラムを通過します。次に、ガス分子は毛細管を通り、場合によっては後続のフィルターを通過し、次に疎水性膜を通過して感知電極の表面に到達します。そこで分子は直ちに酸化または還元され、電子を生成または消費して電流を生成します。

 このようにセンサーに入るガス分子の量は、毛細管を通じた拡散によって制限されることに注意することが重要です。経路を最適化することで、目的の測定範囲に応じて適切な電気信号が得られます。 検知電極の設計は、対象ガスに対する高い応答性を実現し、干渉ガスに対する望ましくない応答を抑制するために不可欠です。これには、固体、液体、ガスの 3 段階システムが含まれており、すべて分析対象ガスの化学的識別が関係しています。電気化学セルは、いわゆる対電極である Cont 電極によって完成します。この電極は、検知電極での反応のバランスをとります。Cont 電極と Sen 電極間のイオン電流は、センサー本体内の電解質によって運ばれ、電流経路はピン コネクタで終端されたワイヤによって提供されます。電気化学センサー (XNUMX 電極センサー) には通常、XNUMX 番目の電極が含まれています。いわゆる参照電極は、検知電極の電位を固定値に維持するために使用されます。この目的のため、および通常は電気化学センサーの動作のために、定電位回路が必要です。

Ⅱ. 電気化学センサーの構成要素

電気化学センサーは、次の 4 つの主要コンポーネントで構成されています。

1. 通気性膜（疎水性膜とも呼ばれる）：これらの膜は、感知（触媒）電極を覆う役割を果たし、場合によっては電極表面に到達するガスの分子量を調節します。通常、これらの膜は、低多孔性のテフロンフィルムで製造されます。これらの膜を使用して電極を覆う場合、センサーはコーティングセンサーと呼ばれます。または、高多孔性のテフロンフィルムを毛細管とともに使用して、電極表面に到達するガスの分子量を制御することもできます。この構成は、毛細管型センサーと呼ばれます。センサーの機械的保護を提供するほか、フィルムはフィルターとしても機能し、不要な粒子を除去します。適切な分子量のガスが通過できるようにするには、膜と毛細管の両方に適切な開口部のサイズを選択することが重要です。開口部のサイズは、液体電解質の漏れや急速な乾燥を防ぎながら、十分なガス分子が感知電極に到達できるようにする必要があります。

2. 電極: 電極材料を慎重に選択することが重要です。材料は触媒性で、長期間にわたって半電解反応を実行できるものでなければなりません。通常、電極はプラチナや金などの貴金属から作られ、触媒作用によってガス分子と効率的に反応します。センサーの設計に応じて、XNUMX つの電極は電気分解反応を促進するために異なる材料から構成される場合があります。

3. 電解質: 電解質は、電解反応を促進し、イオン電荷を効率的に電極に伝達できる必要があります。また、参照電極と安定した参照電位を形成し、センサー内で使用される材料と互換性がある必要があります。さらに、電解質が急速に蒸発すると、センサー信号が弱まり、精度と信頼性が損なわれる可能性があります。

4. フィルター: 場合によっては、不要なガスを除去するために、スクラバー フィルターがセンサーの前に配置されます。フィルターの選択肢は限られており、タイプごとに異なるレベルの効率が見られます。活性炭は最も広く使用されているフィルター素材で、一酸化炭素を除くほとんどの化学物質を効果的にろ過します。適切なフィルター メディアを慎重に選択することで、電気化学センサーは目的のガスに対する選択性を高めます。

Ⅲ. 電気化学センサーの分類

電気化学センサーを分類する方法は多数あります。出力信号の違いに応じて、電位差センサー、電流測定センサー、導電率センサーに分類できます。

電気化学センサーは、検出する物質に応じて、主にイオンセンサー、ガスセンサー、バイオセンサーに分類されます。

Ⅳ. 主な特性と影響要因

1.感度

感度に影響を与える主な要因には、触媒活性、空気摂取量、電解質の導電性、周囲温度などがあります。

2. レスポンス回復

応答回復速度に影響を与える主な要因は、触媒活性、電解質導電性、ガス室構造、ガス特性などです。

3. 選択性/相互干渉

選択性に影響を与える主な要因には、触媒の種類、電解質、バイアス電圧、フィルターなどがあります。

4. 再現性/長期安定性

再現性に影響を与える要因には、電極構造の安定性、電解質の安定性、ガス回路の安定性などがあります。

5、高温および低温性能

高温および低温安定性に影響を与える要因には、触媒活性、電極構造安定性、ガス特性などがあります。

V. 電気化学センサーの4つの主な用途

電気化学センサーは、ガス検出の産業および民間の分野で広く使用されており、オゾン、ホルムアルデヒド、一酸化炭素、アンモニア、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、酸素などのガスを検出でき、ポータブル計測器やガスオンライン監視計測器でよく使用されます。

1. 湿度センサー

湿度は空気環境の重要な指標であり、空気の湿度と人体には蒸発熱、高温高湿度の間に密接な関係があります。人体の水分蒸発が困難で息苦しく感じ、低温高湿度では人体の放熱過程が激しく、風邪や凍傷を引き起こしやすくなります。人体に最適な温度は18〜22℃、相対湿度は35％〜65％RHです。環境と健康のモニタリングでは、湿球温湿度計、手回し湿度計、換気湿度計などの機器で空気の湿度を測定するためによく使用されます。

近年、空気湿度を測定するためのセンサーの使用に関する文献が多数報告されています。相対湿度の測定に使用されるコーティングされた圧電水晶は、フォトリソグラフィーと化学エッチング技術によって小さな水晶圧電水晶に作られ、湿度に対する質量感度が高い AT カット 10 MHz 水晶に XNUMX つの物質がコーティングされています。水晶は、質量によって周波数が変化する発振回路内の共振器であり、適切なコーティングを選択することで、センサーを使用してさまざまなガスの相対湿度を測定できます。センサーの感度、応答の直線性、応答時間、選択性、ヒステリシス、および寿命は、コーティング化学物質の性質によって異なります。

2、窒素酸化物センサー

窒素酸化物は、ガス混合物から構成されるさまざまな窒素酸化物であり、多くの場合、NOXとして表現されます。窒素酸化物では、異なる形態の窒素酸化物の化学的安定性が異なり、空気はしばしば一酸化窒素と二酸化窒素の比較的安定した化学的性質に分けられ、それらの衛生上の重要性は他の形態の窒素酸化物よりも重要であるようです。

環境分析において、窒素酸化物は一般的に二酸化窒素を指します。中国の窒素酸化物モニタリングの標準方法はナフタレンエチレンジアミン塩酸塩の比色法であり、この方法の感度は0.25ug/5mlです。この方法の変換係数は、吸収液の組成、二酸化窒素の濃度、ガス収集速度、吸収管の構造、イオンと温度の共存など、多くの要因の影響を受け、完全に統一されていません。センサーによる測定は、近年開発された新しい方法です。

3、硫化水素ガスセンサー

硫化水素は、卵が腐ったような独特の臭いを持つ無色の可燃性ガスで、刺激性があり、窒息させるため、人体に有害です。ほとんどの方法では、熱量測定法とガスクロマトグラフィーを使用して空気中の硫化水素を測定します。含有量が mg/m3 レベルと低いことが多い大気汚染物質の測定は、ガスセンサーの主な用途の XNUMX つですが、半導体ガスセンサーでは、短時間で特定の汚染ガスを監視するための感度と選択性の要件を満たすことができません。

銀ドープ薄膜センサーアレイは、電量滴定法に基づく汎用分析装置と半導体ガスセンサーアレイからの信号を使用して、二酸化硫黄と硫化水素の濃度を同時に記録する 150 つのセンサーで構成されています。実際のところ、一定温度で XNUMX °C で使用される銀ドープ薄膜センサーは、都市の空気中の硫化水素含有量の監視に効果的であることがわかっています。

4. 二酸化硫黄センサー

二酸化硫黄は空気を汚染する主な物質の 0.65 つであり、空気中の二酸化硫黄の検出は空気検査の定期的な部分です。二酸化硫黄のモニタリングにおけるセンサーの応用は、検出時間の短縮から検出限界の低下まで、大きな優位性を示しています。固体ポリマーはイオン交換膜として使用され、膜の片側には対電極と参照電極用の内部電解質が含まれており、もう一方の側には白金電極が挿入されて二酸化硫黄センサーを形成します。センサーはフローセルに取り付けられ、0.2V の電圧で二酸化硫黄を酸化します。その後、二酸化硫黄の含有量が表示されます。センシング デバイスは、高い電流感度、短い応答時間、良好な安定性、低いバックグラウンド ノイズ、8 mmol/L の線形範囲、10*6-3 mmol/L の検出限界、および XNUMX の信号対雑音比を示します。

このセンサーは空気中の二酸化硫黄を検出できるだけでなく、低伝導性液体中の二酸化硫黄の検出にも使用できます。有機修飾ケイ酸塩薄膜二酸化硫黄ガスセンサーのガス感応コーティングは、ゾルゲルプロセスとスピン技術を利用して製造されました。このコーティングは、二酸化硫黄の測定において優れた再現性と可逆性を示し、応答時間は 20 秒未満です。さらに、他のガスとの相互作用が最小限で、温度や湿度の変化による影響も最小限です。