一种基于声场增强的气体传感系统及方法

本发明涉及气体传感器领域，特别涉及一种基于声场增强的气体传感系统及方法。

背景技术：

1、气体传感器作为感知、识别环境气体信息的重要电子元器件，在工业、航空航天、核电、医疗等众多领域具有重要应用价值。随着气体传感器应用需求增多，应用场景逐渐复杂，对气体传感检测提出更高的要求，例如美国能源部对氢气检测提出亚秒级快速恢复时间的要求，但典型的气体传感技术包括催化、电化学、电阻以及光学等方法，在针对氢气、硫化氢、一氧化碳等工业气体快速响应/恢复等方面均存在不同程度的瓶颈。目前较多学者通过对气敏材料进行维度控制、结构控制、成分掺杂改性提高气体传感能力，但这种方式导致气敏材料制备复杂，一致性以及可靠性较差。此外通过优化器件工作温度也可以实现对气敏响应/恢复时间、灵敏度等性能的调控，但由此导致器件功耗的急剧加大，同时加剧环境温湿度干扰，降低传感器稳定性与使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有气体传感技术所面临的瓶颈问题，提出一种新型气敏性能增强技术，利用声场激发装置激励具有特征频率的声波，经过固体/液体/气体等媒介传递至气敏材料，驱动气敏材料微观振动，进而提高气敏材料与目标气体分子碰撞概率，加快气敏材料与目标气体之间的吸附/解吸附过程，有效提高气体传感器响应/恢复速度。

2、为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。

3、本发明提出了一种基于声场增强的气体传感系统，所述系统包括：声场激发装置和气敏材料；其中，

4、所述声场激发装置，用于激发声波；

5、所述气敏材料，用于在声波的作用下进行微观振动，进而吸附或脱附气体并产生相应的参数变化。

6、作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：中间介质和输出信号检测装置；其中，

7、所述中间介质，用于将声场激发装置激发的声波传递给气敏材料；

8、所述输出信号检测装置，用于采集气敏材料产生的参数变化，并将气敏材料产生的参数变化转化为电信号，再根据电信号获取传感量信息。

9、作为上述技术方案的改进之一，所述声场激发装置在气敏材料吸附或脱附气体的过程采用不同声功率激发声波，使气敏材料进行不同程度的振动。

10、作为上述技术方案的改进之一，所述声场激发装置为：压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器或机械式发声装置。

11、作为上述技术方案的改进之一，所述气敏材料为对气体具有可逆吸附作用的金属、金属氧化物、高分子聚合物、无机物或多种材料复合的功能性气敏材料。

12、作为上述技术方案的改进之一，所述气敏材料的参数包括：电阻、电容、电感、谐振频率、杨氏模量、介电常数、质量和温度。

13、作为上述技术方案的改进之一，所述传感量包括：频率变化、相位变化、幅度变化、功率变化和延时变化。

14、作为上述技术方案的改进之一，所述声场激发装置与气敏材料为一体化集成设计。

15、作为上述技术方案的改进之一，所述声场激发装置与气敏材料采用溅射、滴涂、旋涂或自组装实现一体化集成设计。本发明还提出了一种基于声场增强的气体传感方法，所述方法基于上述之一所述的系统实现，包括：

16、通过声场激发装置激发声波，并传输给中间介质；

17、通过中间介质将声波传递给气敏材料；

18、通过气敏材料在声波的作用下进行微观振动，吸附或脱附气体，并产生相应的参数变化。

19、本发明与现有技术相比优点在于：

20、1、本发明首次提出利用声场使气敏材料进行微观振动，实现气敏材料快速吸附/脱附气体，加快气体传感器的响应/恢复速度；

21、2、本发明的系统和方法可以普遍适用于各类采用气敏材料的气体传感器中，在不改变原有信号检测手段的同时，能够有效加快气体传感器的响应/恢复速度。

技术特征：

1.一种基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述系统包括：声场激发装置和气敏材料；其中，

2.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述系统还包括：中间介质和输出信号检测装置；其中，

3.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述声场激发装置在气敏材料吸附或脱附气体的过程采用不同声功率激发声波，使气敏材料进行不同程度的振动。

4.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述声场激发装置为：压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器或机械式发声装置。

5.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述气敏材料为对气体具有可逆吸附作用的金属、金属氧化物、高分子聚合物、无机物或多种材料复合的功能性气敏材料。

6.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述气敏材料的参数包括：电阻、电容、电感、谐振频率、杨氏模量、介电常数、质量和温度。

7.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述传感量包括：频率变化、相位变化、幅度变化、功率变化和延时变化。

8.根据权利要求1所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述声场激发装置与气敏材料为一体化集成设计。

9.根据权利要求8所述的基于声场增强的气体传感系统，其特征在于，所述声场激发装置与气敏材料采用溅射、滴涂、旋涂或自组装实现一体化集成设计。

10.一种基于声场增强的气体传感方法，所述方法基于权利要求1-9之一所述的系统实现，包括：

技术总结本发明涉及气体传感器领域，特别涉及一种基于声场增强的气体传感系统及方法。本发明利用声场激发装置激励特征频率声波，经过固体/液体/气体等媒介传递至气敏材料，驱动气敏材料微观振动，进而提高气敏材料与目标气体分子碰撞概率，加快气敏材料与目标气体之间的吸附/解吸附过程，能够有效提高气体传感器响应/恢复速度。输出信号检测装置可以广泛采用包括声、光、电、磁、核等在内的各种手段进行监测。本发明首次提出利用声场使气敏材料进行微观振动，实现气敏材料快速吸附/脱附气体，并且本发明的系统及方法适用性强，可以普遍应用在各类含有气敏材料的气体传感器中，不改变其信号检测手段，并加速传感器的响应时间和恢复时间。技术研发人员：王文,崔柏乐,薛蓄峰,程利娜,梁勇受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/21