전기화학 센서에 대해 무엇을 알고 있습니까? 대한민국

전기화학 센서는 감지 및 감지를 위해 분석물의 전기화학적 특성에 의존하여 화학량을 전기량으로 변환하는 센서 유형입니다.

최초의 전기화학 센서는 산소 모니터링에 사용되었던 1950년대로 거슬러 올라갑니다. 그리고 1980년대에는 광범위한 독성 가스를 모니터링하는 데 사용되었으며 우수한 감도와 선택성을 보여주었습니다.

Ⅰ. 전기화학 센서의 작동 원리

 전기화학 센서는 측정 대상 가스와 화학적으로 반응하여 가스 농도에 비례하는 전기 신호를 생성하는 방식으로 작동합니다. 대부분의 전기화학 가스 센서는 가스 농도에 선형적으로 비례하는 전류를 생성합니다.

 전기화학 가스 센서는 다음과 같이 작동합니다. 센서와 접촉하는 대상 가스 분자는 먼저 응결을 방지하고 먼지 장벽 역할을 하는 다이어프램을 통과합니다. 그런 다음 가스 분자는 모세관을 통해, 가능하면 후속 필터를 통해 확산된 다음 소수성 막을 통해 감지 전극 표면으로 확산됩니다. 그곳에서 분자는 즉시 산화되거나 환원되어 전자를 생성하거나 소비하여 전류를 생성합니다.

 이러한 방식으로 센서에 들어가는 가스 분자의 양은 모세관을 통한 확산에 의해 제한된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 경로를 최적화함으로써 원하는 측정 범위에 따라 적절한 전기 신호를 얻을 수 있습니다. 감지 전극의 설계는 대상 가스에 대한 높은 반응성을 달성하고 간섭 가스에 대한 원하지 않는 반응을 억제하는 데 필수적입니다. 여기에는 고체, 액체 및 기체에 대한 3단계 시스템이 포함되며 모두 분석 가스의 화학적 식별과 관련됩니다. 전기화학 셀은 감지 전극에서 반응의 균형을 맞추는 소위 상대 전극인 Cont 전극에 의해 완성됩니다. Cont 전극과 Sen 전극 사이의 이온 전류는 센서 본체 내의 전해질에 의해 전달되는 반면, 전류 경로는 핀 커넥터로 종단된 와이어를 통해 제공됩니다. 세 번째 전극은 일반적으로 전기화학 센서(XNUMX전극 센서)에 포함됩니다. 감지 전극의 전위를 고정된 값으로 유지하기 위해 소위 기준 전극이 사용됩니다. 이러한 목적과 일반적으로 전기화학 센서의 작동을 위해서는 일정한 전위 회로가 필요합니다.

Ⅱ. 전기화학 센서의 구성 요소

전기화학 센서는 다음과 같은 네 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

1. 통기성 멤브레인(소수성 멤브레인이라고도 함): 이 멤브레인은 감지(촉매) 전극을 덮는 역할을 하며 특정 경우 전극 표면에 도달하는 가스의 분자량을 조절합니다. 일반적으로 이러한 멤브레인은 다공성이 낮은 테프론 필름으로 제작됩니다. 이러한 멤브레인을 사용하여 전극을 덮는 경우 센서를 코팅된 센서라고 합니다. 대안적으로, 모세관과 함께 다공성이 높은 테프론 필름을 활용하여 전극 표면에 도달하는 가스의 분자량을 제어할 수 있습니다. 이 구성을 모세관형 센서라고 합니다. 필름은 센서를 기계적으로 보호하는 것 외에도 필터 역할을 하여 원하지 않는 입자를 제거합니다. 가스의 적절한 분자량이 통과할 수 있도록 하려면 멤브레인과 모세관 모두에 적합한 구멍 크기를 선택하는 것이 중요합니다. 조리개 크기는 액체 전해질의 누출이나 급속한 건조를 방지하면서 감지 전극에 충분한 가스 분자가 도달할 수 있도록 허용해야 합니다.

2. 전극: 전극 재료를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. 재료는 촉매성이 있어야 하며 장기간에 걸쳐 반전해 반응을 수행할 수 있어야 합니다. 일반적으로 전극은 촉매 작용을 통해 가스 분자와 효율적으로 반응하는 백금이나 금과 같은 귀금속으로 제작됩니다. 센서 설계에 따라 세 개의 전극은 전기분해 반응을 촉진하기 위해 서로 다른 재료로 구성될 수 있습니다.

3. 전해질: 전해질은 전해질 반응을 촉진하고 이온 전하를 전극에 효율적으로 전달할 수 있어야 합니다. 또한 기준 전극과 안정적인 기준 전위를 형성해야 하며 센서 내에 사용되는 재료와 호환되어야 합니다. 또한 전해질이 빠르게 증발하면 센서 신호가 약화되어 정확도와 신뢰성이 저하될 수 있습니다.

4. 필터: 때로는 원하지 않는 가스를 제거하기 위해 스크러버 필터가 센서 앞에 배치됩니다. 필터 선택은 제한되어 있으며 각 유형은 서로 다른 수준의 효율성을 나타냅니다. 활성탄은 가장 널리 사용되는 필터 재료로 일산화탄소를 제외한 대부분의 화학 물질을 효과적으로 걸러냅니다. 적절한 필터 매체를 신중하게 선택함으로써 전기화학 센서는 원하는 가스에 대한 선택성을 높입니다.

Ⅲ. 전기화학 센서의 분류

전기화학 센서를 분류하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 다양한 출력 신호에 따라 전위차 센서, 전류 측정 센서, 전도도 센서로 나눌 수 있습니다.

전기화학센서는 검출되는 물질에 따라 크게 이온센서, 가스센서, 바이오센서로 분류된다.

Ⅴ. 주요 특성 및 영향 요인

1. 감도

민감도에 영향을 미치는 주요 요인으로는 촉매 활성, 공기 흡입구, 전해질 전도성 및 주변 온도가 있습니다.

2. 반응 회복

반응 회복 속도에 영향을 미치는 주요 요인은 촉매 활성, 전해질 전도도, 가스 챔버 구조, 가스 특성 등입니다.

3. 선택성/교차 간섭

선택성에 영향을 미치는 주요 요인으로는 촉매 유형, 전해질, 바이어스 전압, 필터 등이 있습니다.

4. 반복성/장기 안정성

반복성에 영향을 미치는 요소에는 전극 구조 안정성, 전해질 안정성, 가스 회로 안정성 등이 포함됩니다.

5, 고온 및 저온 성능

고온 및 저온 안정성에 영향을 미치는 요소에는 촉매 활성, 전극 구조 안정성 및 가스 특성이 포함됩니다.

V. 전기화학 센서의 4가지 주요 응용 분야

전기 화학 센서는 산업 및 민간 가스 감지 분야에서 널리 사용되며 오존, 포름알데히드, 일산화탄소, 암모니아, 황화수소, 이산화황, 이산화질소, 산소 및 기타 가스를 감지할 수 있으며 일반적으로 휴대용 기기 및 가스 온라인 모니터링 기기에 사용됩니다.

1. 습도 센서

습도는 공기 환경의 중요한 지표이며, 공기의 습도와 인체의 습도는 증발열, 고온 및 고습 사이에 밀접한 관계가 있습니다. 인체의 수분 증발이 어렵고 답답함을 느끼기 때문입니다. 습도가 높으면 인체의 열 방출 과정이 강렬해 감기와 동상을 일으키기 쉽습니다. 인체에 가장 적합한 온도는 18~22℃, 상대습도는 35%~65%RH입니다. 환경 및 건강 모니터링에서는 습구 온습도계, 수동식 습도계, 환기 습도계 및 기타 기기에서 공기 습도를 결정하는 데 일반적으로 사용됩니다.

최근 몇 년 동안 공기 습도를 결정하기 위해 센서를 사용하는 것에 대한 많은 문헌이 보고되었습니다. 상대습도 측정에 사용되는 코팅된 압전 석영 결정은 포토리소그래피와 화학적 에칭 기술을 통해 작은 석영 압전 결정으로 만들어지며, 습도에 대한 질량 민감도가 높은 AT-cut 10 MHz 수정 결정 위에 XNUMX가지 물질이 코팅됩니다. 수정은 질량에 따라 주파수가 달라지는 진동 회로의 공진기이며, 적절한 코팅을 선택하면 센서를 사용하여 다양한 가스의 상대 습도를 확인할 수 있습니다. 센서의 감도, 반응 선형성, 반응 시간, 선택성, 히스테리시스 및 수명은 코팅 화학 물질의 특성에 따라 달라집니다.

2, 질소산화물 센서

질소산화물은 가스 혼합물로 구성된 다양한 질소산화물이며 종종 NOX로 표현됩니다. 질소산화물에서는 다양한 형태의 질소산화물 화학적 안정성이 다르며, 공기는 ​​종종 상대적으로 안정적인 화학적 성질인 일산화질소와 이산화질소로 나뉘며, 위생상의 중요성은 다른 형태의 질소산화물보다 더 중요한 것으로 보입니다.

환경분석에서 질소산화물은 일반적으로 이산화질소를 의미합니다. 중국의 표준 질소산화물 모니터링 방법은 나프탈렌 에틸렌디아민 염산염의 비색법이며 감도는 0.25ug/5ml이며 환산계수 방법은 흡수액의 조성, 이산화질소 농도, 속도에 영향을 받습니다. 가스 포집, 흡수관의 구조, 이온과 온도의 공존 등 많은 요소가 완벽하게 통일되지는 않았습니다. 센서 판별은 최근 몇 년 동안 개발된 새로운 방법입니다.

3, 황화수소 가스 센서

황화수소는 달걀 썩는 냄새가 나는 무색의 가연성 가스로, 자극적이고 질식시키며 인체에 유해합니다. 대부분의 방법은 열량계와 가스 크로마토그래피를 사용하여 공기 중 황화수소를 측정합니다. mg/m3 수준만큼 낮은 함량의 대기 오염 물질을 측정하는 것이 가스 센서의 주요 응용 분야 중 하나이지만, 반도체 가스 센서는 단기간에 특정 오염 가스를 모니터링하기 위한 감도 및 선택성 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 시간의.

은 도핑된 박막 센서 어레이는 전기량 적정과 반도체 가스 센서 어레이의 신호를 기반으로 하는 범용 분석기를 사용하여 이산화황과 황화수소의 농도를 동시에 기록하는 150개의 센서로 구성됩니다. 실습에 따르면 XNUMX°C에서 일정한 온도 방식으로 사용되는 은 첨가 박막 센서는 도시 공기 중 황화수소 함량을 모니터링하는 데 효과적입니다.

4. 이산화황 센서

이산화황은 공기를 오염시키는 주요 물질 중 하나이며, 공기 중의 이산화황을 검출하는 것은 공기 테스트의 일반적인 부분입니다. 이산화황 모니터링에 센서를 적용하는 것은 감지 시간 단축에서부터 감지 한계 낮추기까지 큰 우월성을 보여주었습니다. 고체 중합체는 이온 교환막으로 사용되며, 막의 한 면에는 상대 전극과 기준 전극을 위한 내부 전해질이 들어 있고 백금 전극이 다른 면에 삽입되어 이산화황 센서를 형성합니다. 센서는 플로우 셀에 장착되어 0.65V의 전압에서 이산화황을 산화시킵니다. 그런 다음 이산화황 함량이 표시됩니다. 감지 장치는 높은 전류 감도, 짧은 응답 시간, 우수한 안정성, 낮은 배경 잡음, 0.2mmol/L의 선형 범위, 8*10-6mmol/L의 검출 한계 및 신호 대 잡음비를 나타냅니다. 3개 중.

센서는 공기 중의 이산화황을 감지할 수 있을 뿐만 아니라 전도성이 낮은 액체에서 이산화황을 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다. 유기적으로 변형된 규산염 박막 이산화황 가스 센서의 가스 감지 코팅은 솔-겔 공정과 스핀 기술을 활용하여 제작되었습니다. 이 코팅은 20초 미만의 빠른 응답 시간으로 이산화황 측정에서 탁월한 재현성과 가역성을 나타냅니다. 또한, 다른 가스와의 상호작용이 최소화되며 온도 및 습도 변화에 따른 영향도 최소화됩니다.