전기화학 센서에 대해 얼마나 알고 있나요?

전기화학 센서는 분석물의 전기화학적 특성을 이용하여 화학적 양을 전기적 신호로 변환하여 감지하는 유형의 센서입니다.

가장 초기의 전기화학 센서는 1950년대에 산소 모니터링에 사용되었으며, 1980년대에는 다양한 독성 가스를 모니터링하는 데 사용되어 우수한 민감도와 선택성을 보여주었습니다.

ⅰ. 전기화학 센서의 작동 원리

전기화학 센서는 측정된 가스와 화학적으로 반응하여 가스 농도에 비례하는 전기 신호를 생성합니다. 대부분의 전기화학적 가스 센서는 가스 농도에 선형적으로 비례하는 전류를 생성합니다.

전기화학적 가스 센서는 다음과 같이 작동합니다: 대상 가스 분자는 먼저 컨덴싱을 방지하고 먼지 장벽으로도 작용하는 다이아프램을 통과합니다. 그런 다음 가스 분자는 캡릴러리 튜브를 통해 확산되며, 필터를 추가로 통과할 수도 있고, 이후 수소포obic 막을 통해 감지 전극 표면에 도달합니다. 그곳에서 분자는 즉시 산화되거나 환원되어 전자를 생성하거나 소비하여 전류가 발생됩니다.

가스 분자가 센서로 들어오는 양은 캡릴러리에서의 확산에 의해 제한된다는 점을 주목해야 합니다. 경로를 최적화함으로써 원하는 측정 범위에 따라 적절한 전기 신호를 얻을 수 있습니다. 감지 전극의 설계는 대상 가스에 대한 높은 반응성을 달성하고 방해 가스에 대한 불필요한 반응을 억제하는 데 필수적입니다. 이는 고체, 액체 및 기체를 위한 세 단계 시스템을 포함하며, 모든 과정에는 분석 가스의 화학적 식별이 포함됩니다. 전기화학 셀은 감지 전극에서 일어나는 반응을 균형 있게 맞추기 위해 so-called 카운터 전극(Cont 전극)에 의해 완성됩니다. Cont 전극과 Sen 전극 사이의 이온 전류는 센서 본체 내부의 전해질에 의해 운반되며, 전류 경로는 핀 커넥터로 종료된 선을 통해 제공됩니다. 전기화학 센서에는 일반적으로 세 번째 전극(3전극 센서)이 포함됩니다. 고정된 값을 유지하기 위해 소위 참조 전극이 사용됩니다. 이 목적을 위해 그리고 일반적으로 전기화학 센서를 작동시키기 위해서는 상수 전위 회로가 필요합니다.

ⅱ. 전기화학 센서의 구성 요소

전기화학 센서는 다음 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:

1. 통기성 막 (또는 혐수성 막): 이러한 막은 감지(촉매) 전극을 덮는 역할을 하며, 특정 경우에 전극 표면에 도달하는 가스의 분자량을 조절합니다. 일반적으로 이러한 막은 낮은 공극도를 가진 테플론 필름으로 제작됩니다. 이러한 막이 전극을 덮는 경우, 센서는 코팅된 센서라고 합니다. 반면, 높은 공극도를 가진 테플론 필름과 모세관을 함께 사용하여 전극 표면에 도달하는 가스의 분자량을 조절할 수도 있습니다. 이 구조는 모세관형 센서라고 합니다. 센서에 대한 기계적 보호 외에도, 필름은 불필요한 입자를 제거하는 필터로 작동합니다. 적절한 가스 분자량이 통과될 수 있도록 막과 모세관 모두에 적합한 개구부 크기를 선택하는 것이 중요합니다. 개구부 크기는 충분한 양의 가스 분자가 감지 전극에 도달할 수 있도록 해야 하며, 동시에 액체 전해질의 누출이나 급속한 증발을 방지해야 합니다.

2. 전극: 전극 재료를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. 해당 재료는 장기간에 걸쳐 반전해 반응을 수행할 수 있는 촉매 작용이 필요합니다. 일반적으로 전극은 플라티넘이나 금과 같은 귀금속으로 만들어지며, 이들은 가스 분자와 효율적으로 반응하여 촉매 작용을 합니다. 센서의 설계에 따라 세 개의 전극은 전기 분해 반응을 용이하게 하기 위해 서로 다른 재료로 구성될 수 있습니다.

3. 전해질: 전해질은 전기 분해 반응을 촉진하고 이온 전하를 전극으로 효율적으로 변환해야 합니다. 또한, 참조 전극과 안정적인 기준 전위를 형성하며 센서 내부에서 사용되는 재료와 호환되어야 합니다. 더불어 전해질의 빠른 증발은 센서 신호 약화를 초래하여 정확도와 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

4. 필터: 가끔, 스크러버 필터가 센서 앞에 위치하여 불필요한 기체를 제거합니다. 필터의 선택은 제한적이며, 각 유형은 다른 수준의 효율성을 보입니다. 활성탄은 대부분의 화학 물질을 효과적으로 걸러내는 가장 널리 사용되는 필터 재료로, 일산화탄소를 제외합니다. 적절한 필터 매체를 신중하게 선택하면 전기화학적 센서는 의도한 기체에 대한 선택성을 높일 수 있습니다.

ⅲ. 전기화학 센서의 분류

전기화학 센서를 분류하는 방법은 여러 가지입니다. 다양한 출력 신호에 따라 전위계 센서, 전류계 센서, 그리고 전도도 센서로 나눌 수 있습니다.

전기화학 센서가 감지하는 물질에 따라 전기화학 센서는 주로 이온 센서, 가스 센서 및 바이오센서로 분류됩니다.

ⅳ. 주요 특성 및 영향 요인

1. 민감도

민감도에 영향을 미치는 주요 요인에는 촉매 활성, 공기 흡입, 전해질 전도도 및 주변 온도가 포함됩니다.

2. 반응 회복

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

3. 선택성/교차 간섭

선택성에 영향을 미치는 주요 요인에는 촉매 종류, 전해질, 편향 전압, 필터 등이 포함됩니다.

4. 재현성/장기 안정성

재현성에 영향을 미치는 요인에는: 전극 구조 안정성, 전해질 안정성, 가스 회로 안정성 등이 있습니다.

5. 고온 및 저온 성능

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

V. 전기화학적 센서의 네 가지 주요 응용 분야

전기화학 센서는 가스 검출의 산업 및 민간 분야에서 널리 사용되며, 오존, 포름알데히드, 일산화탄소, 암모니아, 황화수소, 이산화황, 이산화질소, 산소 등의 가스를 검출할 수 있으며 주로 휴대용 기기와 가스 온라인 모니터링 기기에 사용됩니다.

1. 습도 센서

습도는 공기 환경의 중요한 지표이며, 공기의 습도와 인체는 증발 열과 밀접한 관계가 있습니다. 고온고습 상태에서는 인체의 수분 증발이 어려워 답답함을 느끼게 되며, 저온고습 상태에서는 인체의 발열 과정이 심해져 감기나 동상이 쉽게 발생할 수 있습니다. 인체에 가장 적합한 온도는 18~22℃이고, 상대 습도는 35%~65% RH입니다. 환경 및 건강 모니터링에서 공기의 습도를 결정하기 위해 습구 온도계, 손으로 돌리는 습도계, 통풍 습도계 등의 기기들이 일반적으로 사용됩니다.

최근 몇 년간 센서를 이용하여 공기의 습도를 결정하는 많은 문헌 보고서가 발표되었습니다. 상대 습도를 결정하기 위해 사용되는 코팅된 압전 석영結晶은 광리쓰기 및 화학적 식각 기술을 통해 작은 석영 압전結晶로 만들어지고, 습도에 대해 높은 질량 민감도를 가진 AT 절단 10 MHz 석영結晶에 네 가지 물질이 코팅됩니다. 이 결정은 질량에 따라 주파수가 변하는 진동 회로의 공명기이며, 적절한 코팅을 선택하면 센서는 다양한 가스의 상대 습도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 센서의 감도, 반응 선형성, 반응 시간, 선택성, 히스테리시스 및 수명은 코팅 화학물질의 성질에 따라 달라집니다.

2、질소 산화물 센서

질소 산화물은 질소의 산화물로 구성된 가스 혼합물로 종종 NOX로 표현됩니다. 질소 산화물에서는 다양한 형태의 화학적 안정성이 다릅니다. 공기 중에서는 질소 산화물이 상대적으로 안정적인 화학적 특성을 가진 일산화질소와 이산화질소로 구분되며, 위생적인 측면에서 다른 형태의 질소 산화물보다 더 중요한 의미를 가지고 있습니다.

환경 분석에서 질소 산화물은 일반적으로 이산화질소를 의미합니다. 중국의 질소 산화물 모니터링 표준 방법은 나프탈렌 에틸렌디아민 수염화物의 색상 측정법으로, 이 방법의 감도는 0.25ug/5ml입니다. 전환 계수 방법은 흡수액의 구성, 이산화질소 농도, 가스 수집 속도, 흡수관 구조, 공존 이온 및 온도 등 여러 요인에 영향을 받아 완전히 통일되지 않았습니다. 센서 결정은 최근 몇 년간 개발된 새로운 방법입니다.

3、황화수소 가스 센서

황화수소는 특유의 썩은 달걀 냄새가 나는 무색 가연성 기체로, 자극적이며 질식시키고 인체에 유해합니다. 공기 중 황화수소를 결정하기 위해 대부분의 방법에서는 열량계법과 기체 크로마토그래피를 사용합니다. mg/m³ 수준으로 매우 낮은 농도인 대기 오염물질을 결정하는 것은 가스 센서의 주요 응용 분야 중 하나입니다. 그러나 반도체 가스 센서는 특정 오염 가스를 단기간에 모니터링하기 위한 민감도와 선택성 요구 사항을 충족하지 못합니다.

은 도핑 박막 센서 어레이는 4개의 센서로 구성되어 있으며, 쿨롱적 타이트레이션 기반의 보편적 분석기와 반도체 가스 센서 어레이 신호를 통해 이산화황과 황화수소의 농도를 동시에 기록합니다. 실무에서 확인된 바에 따르면, 상온에서 150°C로 일정하게 유지되는 은 도핑 박막 센서는 도시 대기 중 황화수소 농도를 모니터링하는 데 효과적입니다.

4. 이산화황 센서

이산화황은 공기를 오염시키는 주요 물질 중 하나이며, 공기 중의 이산화황을 감지하는 것은 공기 테스트의 정규적인 부분입니다. 센서의 모니터링 적용은 검출 시간 단축에서 검출 한계를 낮추는 데 있어 큰 우월성을 보여주었습니다. 고체 중합체는 이온 교환 막으로 사용되며, 막의 한쪽에는 대전극과 참조 전극의 내부 전해질이 포함되어 있고, 다른 쪽에는 플라티넘 전극이 삽입되어 이산화황 센서를 형성합니다. 센서는 흐름 셀에 장착되며 0.65V의 전압에서 이산화황을 산화시킵니다. 이후 이산화황 함량이 표시됩니다. 감지 장치는 높은 전류 민감도, 짧은 반응 시간, 좋은 안정성, 낮은 배경 잡음, 0.2 mmol/L의 선형 범위, 8*10^-6 mmol/L의 검출 한계, 그리고 3의 신호대잡음비를 나타냅니다.

이 센서는 공기 중의 이산화황을 감지할 뿐만 아니라 저 전도도 액체 내의 이산화황을 감지하는 데에도 사용될 수 있습니다. 유기 개질 실리케이트 박막 이산화황 가스 센서의 가스 감응 코팅은 용해-응고 과정과 회전 도포 기술을 이용하여 제작되었습니다. 이 코팅은 이산화황 측정에서 우수한 재현성과 가역성을 보여주며, 20초 미만의 신속한 반응 시간을 가지고 있습니다. 또한 다른 가스들과의 상호 작용이 최소이며, 온도와 습도 변화에 거의 영향을 받지 않습니다.