基于Sn摻雜CuO納米結(jié)構(gòu)的乙醇?xì)怏w傳感器實(shí)現(xiàn)車內(nèi)實(shí)時(shí)酒駕檢測(cè)

金屬氧化物及其與其它材料（如MXenes和金屬硫族化合物）的復(fù)合材料，可以利用它們暴露于目標(biāo)氣體或蒸汽中所產(chǎn)生的電阻或電壓變化，來實(shí)現(xiàn)不同氣體或蒸汽的檢測(cè)，例如NO2、H2S、CO、C2H5OH、苯、甲苯和甲醛等。這些電阻或電壓變化可以轉(zhuǎn)換為傳感信號(hào)，如果需要，還可以將這些信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以進(jìn)一步處理。

金屬氧化物氣體傳感器憑借低價(jià)格和高性能，可以集成在車輛、智能電子設(shè)備、呼氣分析設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中。然后利用數(shù)據(jù)通信來傳輸電壓等物理變化，從而獲取傳感器的輸出數(shù)據(jù)。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸縮小了測(cè)量設(shè)備的尺寸，使其更便攜。

近年來，利用無(wú)線通信平臺(tái)，為基于氣體傳感器的系統(tǒng)提供了許多功能，包括高速數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程設(shè)備控制以及防止事故發(fā)生的措施等。在此背景下，開發(fā)具有無(wú)線通信能力的高靈敏度、高可靠且低成本的氣體傳感器至關(guān)重要。

乙醇（C2H5OH）在各行各業(yè)被廣泛用作溶劑，例如食品、石化、醫(yī)療以及燃料行業(yè)等。它還被用于制作酒精飲料和消毒劑。因此，開發(fā)乙醇?xì)怏w傳感技術(shù)對(duì)于汽車行業(yè)、食品生產(chǎn)、原油產(chǎn)品等應(yīng)用具有重要意義。

導(dǎo)致道路交通事故的因素有很多，例如疲勞駕駛和超速等等，其中，酒后駕駛是主要因素之一是。金屬氧化物氣體傳感器可以檢測(cè)乙醇?xì)怏w。因此，其可以用于汽車駕駛員的呼氣分析，以確保駕駛員的身體狀態(tài)和警覺性。

氧化銅（CuO）是一種具有成本效益的p型材料，由于其優(yōu)異的電學(xué)性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，已成為電子器件和生物相容性器件的理想選擇。此前，原始或復(fù)合形式的CuO已被用于乙醇?xì)怏w的檢測(cè)。

然而，這種材料作為氣體傳感器，特別是在原始形式下，其選擇性低、工作溫度高，且對(duì)低濃度的不同氣體不敏感。這些問題可以通過將其它材料與CuO結(jié)合使用來解決。

例如，此前有研究將碳化鈦-氧化銅（Ti3C2Tx-CuO）復(fù)合材料用作NH3傳感器。特別是，摻雜其它金屬也可以提高金屬氧化物的整體性能。n型SnO2是傳感器研究中最有前途的材料之一，它與其它金屬氧化物的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)更靈敏的氣體傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，伊朗設(shè)拉子科技大學(xué)（Shiraz University of Technology）的研究人員在CuO納米結(jié)構(gòu)中采用Sn摻雜來大幅增強(qiáng)氣體傳感器的氣敏性能?；谶@種Sn摻雜CuO納米結(jié)構(gòu)，他們制造了一種具有快速響應(yīng)能力和恢復(fù)時(shí)間的車載無(wú)線駕駛員呼氣乙醇檢測(cè)（IDBAD）系統(tǒng)。該研究成果已發(fā)表于近期的Scientific Reports期刊。

這種氣體傳感器可以產(chǎn)生一個(gè)確定駕駛員呼氣中乙醇濃度的信號(hào)，然后和車輛位置信息一起無(wú)線發(fā)送到智能手機(jī)，如果檢測(cè)結(jié)果超標(biāo)，可以阻止車輛啟動(dòng)。在暴露于100 ppm乙醇?xì)怏w中時(shí)，這款氣體傳感器的響應(yīng)為48 Vg/Va，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為14 s和21 s。

基于該氣體傳感器，研究人員進(jìn)一步開發(fā)了一款功耗為1.6 Wh的氣體傳感系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)通過汽車電池供電，因此可以長(zhǎng)期處于待機(jī)模式。此外，即使在30天后，該系統(tǒng)仍能保持97%的初始響應(yīng)，展示了其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

基于Sn摻雜CuO納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感機(jī)制

氣體傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安裝在車輛內(nèi)部的車載無(wú)線駕駛員呼氣乙醇檢測(cè)（IDBAD）系統(tǒng)及其連接示意圖

總結(jié)來說，研究人員展示了一種基于Sn摻雜CuO納米結(jié)構(gòu)的IDBAD氣體傳感系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)發(fā)送位置的功能。所提出的傳感器對(duì)乙醇暴露高度敏感，且能夠很方便地集成到車輛中用于駕駛員呼氣的乙醇檢測(cè)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到乙醇時(shí)，其通信系統(tǒng)能夠無(wú)線發(fā)送車輛位置，并在需要時(shí)停止車輛。

這種IDBAD系統(tǒng)顯示出非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，以及對(duì)乙醇?xì)怏w的良好選擇性。該系統(tǒng)通過車輛電池為氣體傳感器供電，而且，由于氣體傳感器的工作溫度相對(duì)較低，因此不用擔(dān)心IDBAD系統(tǒng)的能耗問題。研究人員在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中成功試驗(yàn)了該系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)有望在很多車輛中獲得實(shí)際應(yīng)用。

審核編輯：劉清