Bạn biết gì về cảm biến điện hóa Việt Nam

Cảm biến điện hóa là loại cảm biến dựa vào đặc tính điện hóa của chất phân tích để chuyển đổi lượng hóa chất thành đại lượng điện để cảm nhận và phát hiện.

Các cảm biến điện hóa sớm nhất có từ những năm 1950, khi chúng được sử dụng để theo dõi oxy. Và đến những năm 1980, khi chúng được sử dụng để theo dõi nhiều loại khí độc và cho thấy độ nhạy và độ chọn lọc tốt.

Ⅰ. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa

 Cảm biến điện hóa hoạt động bằng cách phản ứng hóa học với khí được đo và tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ thuận với nồng độ khí. Hầu hết các cảm biến khí điện hóa đều tạo ra dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí.

 Cảm biến khí điện hóa hoạt động như sau: Các phân tử khí mục tiêu tiếp xúc với cảm biến trước tiên sẽ đi qua một màng ngăn ngăn chặn sự ngưng tụ và cũng hoạt động như một rào cản bụi. Sau đó, các phân tử khí khuếch tán qua ống mao dẫn, có thể qua bộ lọc tiếp theo, rồi qua màng kỵ nước đến bề mặt của điện cực cảm biến. Ở đó, các phân tử ngay lập tức bị oxy hóa hoặc khử, do đó tạo ra hoặc tiêu thụ các electron để tạo ra dòng điện.

 Điều quan trọng cần lưu ý là lượng phân tử khí đi vào cảm biến theo cách này bị hạn chế bởi sự khuếch tán qua mao quản. Bằng cách tối ưu hóa đường dẫn, tín hiệu điện thích hợp sẽ thu được theo phạm vi đo mong muốn. Thiết kế của điện cực cảm biến là cần thiết để đạt được độ phản hồi cao đối với khí mục tiêu và ngăn chặn các phản ứng không mong muốn đối với các khí gây nhiễu. Nó bao gồm một hệ thống ba giai đoạn dành cho chất rắn, chất lỏng và chất khí, và tất cả đều liên quan đến việc xác định hóa học của khí phân tích. Tế bào điện hóa được hoàn thiện bởi cái gọi là điện cực đếm, điện cực Cont, giúp cân bằng phản ứng ở điện cực cảm biến. Dòng ion giữa điện cực Cont và điện cực Sen được vận chuyển bằng chất điện phân trong thân cảm biến, trong khi đường dẫn dòng điện được cung cấp thông qua một dây được kết thúc bằng đầu nối chốt. Điện cực thứ ba thường có trong cảm biến điện hóa (cảm biến 3 điện cực). Cái gọi là điện cực tham chiếu được sử dụng để duy trì điện thế của điện cực cảm biến ở một giá trị cố định. Với mục đích này và thường là để vận hành các cảm biến điện hóa, cần có một mạch điện thế không đổi.

Ⅱ. Các thành phần của cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa bao gồm bốn thành phần chính sau:

1. Màng thoáng khí (còn được gọi là màng kỵ nước): Những màng này dùng để che phủ các điện cực cảm biến (xúc tác) và trong một số trường hợp nhất định, điều chỉnh trọng lượng phân tử của khí chạm tới bề mặt điện cực. Thông thường, các màng này được chế tạo từ màng Teflon có độ xốp thấp. Khi những màng này được sử dụng để bọc các điện cực, cảm biến được gọi là cảm biến được phủ. Ngoài ra, có thể sử dụng màng Teflon có độ xốp cao cùng với mao quản để kiểm soát trọng lượng phân tử của khí tiếp cận bề mặt điện cực. Cấu hình này được gọi là cảm biến loại mao dẫn. Bên cạnh việc bảo vệ cơ học cho cảm biến, màng còn có chức năng như một bộ lọc, loại bỏ các hạt không mong muốn. Để đảm bảo trọng lượng phân tử thích hợp của khí được phép đi qua, điều quan trọng là phải chọn kích thước khẩu độ thích hợp cho cả màng và mao quản. Kích thước khẩu độ phải cho phép đủ phân tử khí tiếp cận điện cực cảm biến đồng thời ngăn ngừa rò rỉ hoặc làm khô nhanh chất điện phân lỏng.

2. Điện cực: Điều quan trọng là phải lựa chọn cẩn thận vật liệu điện cực. Vật liệu này phải có tính xúc tác, có khả năng thực hiện phản ứng bán điện phân trong thời gian dài. Thông thường, các điện cực được chế tạo từ kim loại quý, như bạch kim hoặc vàng, phản ứng hiệu quả với các phân tử khí thông qua xúc tác. Tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến, ba điện cực có thể được chế tạo từ các vật liệu khác nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng điện phân.

3. Chất điện phân: Chất điện phân phải có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng điện phân và truyền điện tích ion đến điện cực một cách hiệu quả. Nó cũng phải tạo thành điện thế tham chiếu ổn định với điện cực tham chiếu và tương thích với các vật liệu được sử dụng trong cảm biến. Hơn nữa, sự bay hơi nhanh của chất điện phân có thể dẫn đến suy yếu tín hiệu cảm biến, có khả năng ảnh hưởng đến độ chính xác và độ tin cậy của nó.

4. Bộ lọc: Đôi khi, bộ lọc lọc được đặt ở phía trước cảm biến để loại bỏ các khí không mong muốn. Việc lựa chọn các bộ lọc bị hạn chế, mỗi loại thể hiện một mức độ hiệu quả khác nhau. Than hoạt tính là vật liệu lọc được sử dụng rộng rãi nhất, lọc hiệu quả hầu hết các hóa chất, ngoại trừ carbon monoxide. Bằng cách lựa chọn cẩn thận phương tiện lọc thích hợp, cảm biến điện hóa đạt được độ chọn lọc cao hơn đối với các loại khí mong muốn.

Ⅲ. Phân loại cảm biến điện hóa

Có nhiều cách phân loại cảm biến điện hóa. Tùy thuộc vào các tín hiệu đầu ra khác nhau, chúng có thể được chia thành cảm biến đo điện thế, cảm biến đo cường độ dòng điện và cảm biến đo độ dẫn.

Theo các chất được phát hiện bởi cảm biến điện hóa, cảm biến điện hóa có thể được phân loại chủ yếu thành cảm biến ion, cảm biến khí và cảm biến sinh học.

Ⅳ. Các đặc tính chính và các yếu tố ảnh hưởng

1. Độ nhạy

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhạy bao gồm: hoạt động của chất xúc tác, lượng không khí nạp vào, độ dẫn điện và nhiệt độ môi trường.

2. Phục hồi phản hồi

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phục hồi phản ứng là hoạt động xúc tác, độ dẫn điện, cấu trúc buồng khí, tính chất khí, v.v.

3. Tính chọn lọc/Giao thoa chéo

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chọn lọc bao gồm loại chất xúc tác, chất điện phân, điện áp phân cực, bộ lọc, v.v.

4. Độ lặp lại/Độ ổn định lâu dài

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lặp lại bao gồm: độ ổn định cấu trúc điện cực, độ ổn định điện phân, độ ổn định mạch khí, v.v.

5, Hiệu suất nhiệt độ cao và thấp

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt độ cao và thấp bao gồm: hoạt tính xúc tác, độ ổn định cấu trúc điện cực và đặc tính khí.

V. Bốn ứng dụng chính của cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng để phát hiện khí, có thể phát hiện ozone, formaldehyde, carbon monoxide, amoniac, hydro sunfua, sulfur dioxide, nitơ dioxide, oxy và các loại khí khác, thường được sử dụng trong thiết bị cầm tay và thiết bị giám sát khí trực tuyến.

1. Cảm biến độ ẩm

Độ ẩm là một chỉ số quan trọng của môi trường không khí, độ ẩm của không khí và cơ thể con người có mối quan hệ chặt chẽ giữa sức nóng bốc hơi, nhiệt độ cao và độ ẩm cao, do cơ thể con người khó bay hơi nước và cảm thấy ngột ngạt, nhiệt độ thấp và Độ ẩm cao, quá trình tản nhiệt của cơ thể con người diễn ra gay gắt, dễ gây cảm lạnh, tê cóng. Nhiệt độ thích hợp nhất cho cơ thể con người là 18 ~ 22oC, độ ẩm tương đối là 35% ~ 65% RH. Trong giám sát môi trường và sức khỏe, nó thường được sử dụng trong nhiệt kế ẩm kế bầu ướt, ẩm kế quay tay và ẩm kế thông gió và các dụng cụ khác để xác định độ ẩm không khí.

Trong những năm gần đây, một số lượng lớn tài liệu đã báo cáo về việc sử dụng cảm biến để xác định độ ẩm không khí. Các tinh thể thạch anh áp điện được phủ sử dụng để xác định độ ẩm tương đối được chế tạo thành các tinh thể áp điện thạch anh nhỏ bằng kỹ thuật quang khắc và khắc hóa học, và bốn chất được phủ lên các tinh thể thạch anh 10 MHz cắt AT, có độ nhạy khối lượng cao với độ ẩm. Tinh thể là một bộ cộng hưởng trong một mạch dao động có tần số thay đổi theo khối lượng và bằng cách chọn lớp phủ thích hợp, cảm biến có thể được sử dụng để xác định độ ẩm tương đối của các loại khí khác nhau. Độ nhạy, độ tuyến tính đáp ứng, thời gian đáp ứng, độ chọn lọc, độ trễ và tuổi thọ của cảm biến phụ thuộc vào bản chất của hóa chất phủ.

2, Cảm biến oxit nitơ

Oxit nitơ là một loạt các oxit nitơ bao gồm hỗn hợp khí, thường được biểu thị dưới dạng NOX. Trong oxit nitơ, các dạng ổn định hóa học khác nhau của oxit nitơ là khác nhau, không khí thường được chia thành các tính chất hóa học tương đối ổn định của nitơ monoxide và nitơ dioxide, tầm quan trọng của chúng trong vệ sinh dường như quan trọng hơn các dạng oxit nitơ khác.

Trong phân tích môi trường, oxit nitơ thường đề cập đến nitơ dioxide. Phương pháp tiêu chuẩn của Trung Quốc để giám sát các oxit nitơ là phương pháp đo màu của naphthalene ethylenediamine hydrochloride, độ nhạy của phương pháp là 0.25ug/5ml, phương pháp hệ số chuyển đổi bị ảnh hưởng bởi thành phần của dung dịch hấp thụ, nồng độ nitơ dioxide, tốc độ thu khí, cấu trúc của ống hấp thụ, sự tồn tại chung của các ion và nhiệt độ và nhiều yếu tố khác, chưa hoàn toàn thống nhất. Xác định cảm biến là một phương pháp mới được phát triển trong những năm gần đây.

3、Cảm biến khí hydro sunfua

Hydrogen sulfide là một loại khí không màu, dễ cháy, có mùi trứng thối đặc biệt, gây khó chịu, ngạt thở và có hại cho cơ thể con người. Hầu hết các phương pháp sử dụng phép đo nhiệt lượng và sắc ký khí để xác định hydro sunfua trong không khí. Việc xác định các chất gây ô nhiễm không khí có hàm lượng thường thấp đến mức mg/m3 là một trong những ứng dụng chính của cảm biến khí, nhưng cảm biến khí bán dẫn không thể đáp ứng các yêu cầu về độ nhạy và độ chọn lọc để theo dõi một số loại khí ô nhiễm nhất định trong thời gian ngắn. của thời gian.

Mảng cảm biến màng mỏng pha tạp bạc bao gồm bốn cảm biến ghi lại đồng thời nồng độ sulfur dioxide và hydrogen sulfide bằng máy phân tích phổ quát dựa trên phép chuẩn độ điện lượng và tín hiệu từ mảng cảm biến khí bán dẫn. Thực tế đã chỉ ra rằng các cảm biến màng mỏng pha tạp bạc được sử dụng ở nhiệt độ 150°C ở nhiệt độ không đổi có hiệu quả để theo dõi hàm lượng hydro sunfua trong không khí đô thị.

4. Cảm biến điôxit lưu huỳnh

Sulfur dioxide là một trong những chất chính gây ô nhiễm không khí và việc phát hiện sulfur dioxide trong không khí là một phần thường xuyên của quá trình kiểm tra không khí. Việc ứng dụng cảm biến trong giám sát sulfur dioxide đã cho thấy tính ưu việt vượt trội, từ việc rút ngắn thời gian phát hiện đến hạ thấp giới hạn phát hiện. Các polyme rắn được sử dụng làm màng trao đổi ion, với một mặt của màng chứa chất điện phân bên trong cho các điện cực đếm và điện cực tham chiếu, và một điện cực bạch kim được lắp vào mặt còn lại để tạo thành cảm biến sulfur dioxide. Cảm biến được gắn trong một tế bào dòng chảy và oxy hóa sulfur dioxide ở điện áp 0.65V. Hàm lượng sulfur dioxide sau đó được chỉ định. Thiết bị cảm biến có độ nhạy dòng điện cao, thời gian phản hồi ngắn, độ ổn định tốt, độ nhiễu nền thấp, phạm vi tuyến tính 0.2 mmol/L, giới hạn phát hiện là 8*10-6 mmol/L và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của 3.

Cảm biến không chỉ có thể phát hiện sulfur dioxide trong không khí mà còn được sử dụng để phát hiện sulfur dioxide trong chất lỏng có độ dẫn điện thấp. Lớp phủ nhạy khí của cảm biến khí sulfur dioxide màng mỏng silicat biến đổi hữu cơ được chế tạo bằng quy trình sol-gel và công nghệ quay. Lớp phủ này thể hiện khả năng tái lập và đảo ngược tuyệt vời trong việc xác định sulfur dioxide, với thời gian phản hồi nhanh dưới 20 giây. Ngoài ra, nó thể hiện sự tương tác tối thiểu với các loại khí khác và ít bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm.