基于Sn掺杂CuO纳米结构的乙醇气体传感器，有望实现车内实时酒驾检测
2023-05-09 08:41:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

金属氧化物及其与其它材料（如MXenes和金属硫族化合物）的复合材料，可以利用它们暴露于目标气体或蒸汽中所产生的电阻或电压变化，来实现不同气体或蒸汽的检测，例如NO₂、H₂S、CO、C₂H₅OH、苯、甲苯和甲醛等。这些电阻或电压变化可以转换为传感信号，如果需要，还可以将这些信号由模拟信号转换为数字信号以进一步处理。

金属氧化物气体传感器凭借低价格和高性能，可以集成在车辆、智能电子设备、呼气分析设备以及物联网（IoT）设备中。然后利用数据通信来传输电压等物理变化，从而获取传感器的输出数据。无线数据传输缩小了测量设备的尺寸，使其更便携。

近年来，利用无线通信平台，为基于气体传感器的系统提供了许多功能，包括高速数据传输、远程设备控制以及防止事故发生的措施等。在此背景下，开发具有无线通信能力的高灵敏度、高可靠且低成本的气体传感器至关重要。

乙醇（C₂H₅OH）在各行各业被广泛用作溶剂，例如食品、石化、医疗以及燃料行业等。它还被用于制作酒精饮料和消毒剂。因此，开发乙醇气体传感技术对于汽车行业、食品生产、原油产品等应用具有重要意义。

导致道路交通事故的因素有很多，例如疲劳驾驶和超速等等，其中，酒后驾驶是主要因素之一是。金属氧化物气体传感器可以检测乙醇气体。因此，其可以用于汽车驾驶员的呼气分析，以确保驾驶员的身体状态和警觉性。

氧化铜（CuO）是一种具有成本效益的p型材料，由于其优异的电学性能和长期稳定性，已成为电子器件和生物相容性器件的理想选择。此前，原始或复合形式的CuO已被用于乙醇气体的检测。

然而，这种材料作为气体传感器，特别是在原始形式下，其选择性低、工作温度高，且对低浓度的不同气体不敏感。这些问题可以通过将其它材料与CuO结合使用来解决。

例如，此前有研究将碳化钛-氧化铜（Ti₃C₂T_x-CuO）复合材料用作NH₃传感器。特别是，掺杂其它金属也可以提高金属氧化物的整体性能。n型SnO₂是传感器研究中最有前途的材料之一，它与其它金属氧化物的结合可以实现更灵敏的气体传感器。

据麦姆斯咨询报道，伊朗设拉子科技大学（Shiraz University of Technology）的研究人员在CuO纳米结构中采用Sn掺杂来大幅增强气体传感器的气敏性能。基于这种Sn掺杂CuO纳米结构，他们制造了一种具有快速响应能力和恢复时间的车载无线驾驶员呼气乙醇检测（IDBAD）系统。该研究成果已发表于近期的Scientific Reports期刊。

这种气体传感器可以产生一个确定驾驶员呼气中乙醇浓度的信号，然后和车辆位置信息一起无线发送到智能手机，如果检测结果超标，可以阻止车辆启动。在暴露于100 ppm乙醇气体中时，这款气体传感器的响应为48 Vg/Va，响应时间和恢复时间分别为14 s和21 s。

基于该气体传感器，研究人员进一步开发了一款功耗为1.6 Wh的气体传感系统，由于该系统通过汽车电池供电，因此可以长期处于待机模式。此外，即使在30天后，该系统仍能保持97%的初始响应，展示了其长期稳定性。

基于Sn掺杂CuO纳米结构的乙醇传感机制

气体传感系统设计

安装在车辆内部的车载无线驾驶员呼气乙醇检测（IDBAD）系统及其连接示意图

总结来说，研究人员展示了一种基于Sn掺杂CuO纳米结构的IDBAD气体传感系统，具有实时发送位置的功能。所提出的传感器对乙醇暴露高度敏感，且能够很方便地集成到车辆中用于驾驶员呼气的乙醇检测。当传感器检测到乙醇时，其通信系统能够无线发送车辆位置，并在需要时停止车辆。

这种IDBAD系统显示出非常快的响应时间和恢复时间，以及对乙醇气体的良好选择性。该系统通过车辆电池为气体传感器供电，而且，由于气体传感器的工作温度相对较低，因此不用担心IDBAD系统的能耗问题。研究人员在实际应用场景中成功试验了该系统，因此，该系统有望在很多车辆中获得实际应用。

延伸阅读：

《气体传感器技术及市场-2022版》

《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》

《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》