金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器通常存在選擇性不好和工作溫度高的問(wèn)題。傳統(tǒng)的基于金屬氧化物的氣體傳感器通常在較高的溫度下工作，這進(jìn)一步增加了能耗。此外，高工作溫度可能限制它們?cè)谏虡I(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的使用，特別是在易爆氣體環(huán)境中。而且，高工作溫度會(huì)導(dǎo)致傳感器壽命縮短和性能不穩(wěn)定。為了降低傳感器的工作溫度，先前的文獻(xiàn)中報(bào)道了不同的方法，例如表面裝飾不同的催化劑材料、摻雜貴金屬、紫外（UV）光照射等。其中，紫外光照射因其可降低光催化金屬氧化物氣體傳感器（如TiO?）的工作溫度而引起了廣泛關(guān)注。

選擇性不好是金屬氧化物氣體傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)，它可以通過(guò)多種技術(shù)進(jìn)行改善。其中一種方案是使用由多種傳感元件組成的氣體傳感器陣列。每個(gè)傳感元件與目標(biāo)氣體具有特定的相互作用。盡管陣列的每個(gè)組件的單獨(dú)響應(yīng)不具有區(qū)分性，但所有傳感元件的組合響應(yīng)會(huì)為每種分析物產(chǎn)生獨(dú)特的特征。

溫度調(diào)制是增強(qiáng)選擇性的另一主要方法。該技術(shù)基于向傳感器的加熱元件施加可變電壓波形，從而可在金屬氧化物氣體傳感器上產(chǎn)生不同的溫度。金屬氧化物氣體傳感器的響應(yīng)與溫度強(qiáng)相關(guān)，傳感器的溫度變化導(dǎo)致各種響應(yīng)模式，提供與氣體相關(guān)的信息。提取這些信息有助于進(jìn)行氣體識(shí)別。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，伊朗德黑蘭大學(xué)（University of Tehran）和加茲溫醫(yī)科大學(xué)（Qazvin University of Medical Sciences）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在IET Science, Measurement & Technology期刊上發(fā)表了題為“Intensity modulation of UV light in gas sensor array to discriminate several analytes at room temperature”的論文，提出了一種基于氣體傳感器陣列和紫外光強(qiáng)度調(diào)制的新技術(shù)，用于在室溫下識(shí)別多種還原性氣體。

在這項(xiàng)研究中，研究人員制造了基于TiO?納米纖維的氣體傳感器陣列，并對(duì)該傳感器陣列進(jìn)行了不同強(qiáng)度的紫外光激勵(lì)。為了對(duì)紫外光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，階梯波形電壓被施加到365 nm的紫外LED。為了評(píng)估所提出技術(shù)的有效性，引入了五種不同的氣體作為目標(biāo)氣體，包括不同濃度水平的丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇和一氧化碳（CO）。

氣體傳感器陣列由兩個(gè)覆蓋有TiO?納米纖維的叉指微電極組成。每個(gè)傳感器由42個(gè)電極指對(duì)組成，指長(zhǎng)、指間隙和指寬分別為3 mm、40 μm和30 μm。TiO?納米纖維是通過(guò)靜電紡絲技術(shù)生產(chǎn)的。氣體傳感器陣列示意圖如圖1所示。

圖1 氣體傳感器陣列示意圖

一些學(xué)者已經(jīng)研究并報(bào)道了金屬氧化物氣體傳感器在紫外線照射下的氣體傳感機(jī)理（如圖2所示）。

圖2 紫外線激勵(lì)的室溫氣體傳感機(jī)理示意圖

圖3是用于記錄所制造的傳感器陣列響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)密封氣室（10 L容積）和不同濃度水平的分析物（如丙酮、甲醇、乙醇、2-丙醇和CO，濃度范圍為 50至500 ppm）。除CO外，其它分析物均以液態(tài)形式通過(guò)采樣器引入氣室，并通過(guò)加熱器在室中蒸發(fā)。預(yù)定體積的CO氣體通過(guò)Hamilton注射器注入氣室。小型電風(fēng)扇被用于使氣室的氣氛均勻化。紫外LED（365 nm）被用作光源。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

為了對(duì)紫外光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，研究人員向紫外LED施加了一個(gè)階梯波形電壓。階梯波形電壓包括三個(gè)階梯電壓（3.4 V、3.6 V和3.8 V），在與紫外LED確定距離處測(cè)得的功率分別約為450、560和680 μW/cm2。圖4顯示了應(yīng)用于氣體傳感器陣列的紫外光強(qiáng)度調(diào)制示意圖。在每次實(shí)驗(yàn)中，氣體傳感器陣列暴露于分析物中，上述階梯波形電壓被施加到紫外LED上。

圖4 應(yīng)用于氣體傳感器陣列的紫外光強(qiáng)度調(diào)制示意圖

圖5展示了將獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)映射到3D特征空間的主成分分析（PCA）結(jié)果。如圖5所示，所有檢測(cè)的分析物在室溫下被完全區(qū)分。研究人員對(duì)傳感器陣列的重復(fù)性進(jìn)行了10個(gè)周期的評(píng)估，每個(gè)傳感器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）低于8%。

圖5 氣體傳感測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本研究提出了一種基于氣體傳感器陣列和紫外光強(qiáng)度調(diào)制的新技術(shù)，用于在室溫下識(shí)別多種還原性氣體。所檢測(cè)的氣體為不同濃度的乙醇、甲醇、2-丙醇、丙酮和CO。利用最簡(jiǎn)單的降維技術(shù)，所有目標(biāo)氣體在室溫下都得到了顯著的分離。本研究首次提出了基于紫外光強(qiáng)度調(diào)制的真實(shí)陣列和虛擬陣列相結(jié)合的方法，有望為研究光催化金屬氧化物氣體傳感器的選擇性開(kāi)辟一條有效途徑。所提出的技術(shù)可以增加每種分析物的特定特征數(shù)。該方法的其他優(yōu)點(diǎn)還包括：延長(zhǎng)傳感器的使用壽命、無(wú)需溫度控制電路以及可檢測(cè)易燃?xì)怏w等。該技術(shù)具有成本效益，可用于制造便攜式氣體識(shí)別系統(tǒng)。所提出的技術(shù)有望滿足許多氣體傳感應(yīng)用的需要。

審核編輯：劉清