氣體傳感器原理

　　分析氣體傳感器選擇及其分類(lèi)

　　氣體傳感器是氣體檢測系統的核心，通常安裝在探測頭內。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過(guò)氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進(jìn)行化學(xué)處理，以便化學(xué)傳感器進(jìn)行更快速的測量。
　　氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應時(shí)間。目前，氣體的采樣方式主要是通過(guò)簡(jiǎn)單擴散法，或是將氣體吸入檢測器。(簡(jiǎn)單擴散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標氣體穿過(guò)探頭內的傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于氣體體積分數的信號。由于擴散過(guò)程漸趨減慢，所以擴散法需要探頭的位置非常接近于測量點(diǎn)。擴散法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將氣體樣本直接引入傳感器而無(wú)需物理和化學(xué)變換。樣品吸入式探頭通常用于采樣位置接近處理儀器或排氣管道。這種技術(shù)可以為傳感器提供一種速度可控的穩定氣流，所以在氣流大小和流速經(jīng)常變化的情況下，這種方法較值得推薦。將測量點(diǎn)的氣體樣本引到測量探頭可能經(jīng)過(guò)一段距離，距離的長(cháng)短主要是根據傳感器的設計，但采樣線(xiàn)較長(cháng)會(huì )加大測量滯后時(shí)間，該時(shí)間是采樣線(xiàn)長(cháng)度和氣體從泄漏點(diǎn)到傳感器之間流動(dòng)速度的函數。對于某種目標氣體和汽化物，如SiH4以及大多數生物溶劑，氣體和汽化物樣品量可能會(huì )因為其吸附作用甚至凝結在采樣管壁上而減少。)
　　根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型。要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大小;被測位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號的引出方法，有線(xiàn)或是非接觸測量;傳感器的來(lái)源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。
　　穩定性：傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內基本響應的穩定性，取決于零點(diǎn)漂移和區間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內傳感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳感器連續置于目標氣體中的輸出響應變化，表現為傳感器輸出信號在工作時(shí)間內的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。
　　響應特性 (反應時(shí)間)：傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應根據信號的特點(diǎn) (穩態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。
　　線(xiàn)性范圍：傳感器的線(xiàn)性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，這會(huì )給測量帶來(lái)極大的方便。
　　靈敏度的選擇通常在傳感器的線(xiàn)性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時(shí)，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì )被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
　　氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門(mén)類(lèi)，從工作原理、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應用領(lǐng)域，都可以構成獨立的分類(lèi)標準，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類(lèi)體系，尤其在分類(lèi)標準的問(wèn)題上目前還沒(méi)有統一，要對其進(jìn)行嚴格的系統分類(lèi)難度頗大。
　　通常以氣敏特性來(lái)分類(lèi)，主要可分為：半導體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光化學(xué)型氣體傳感器、高分子氣體傳感器等。

　　半導體氣體傳感器

　　半導體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料做成的元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應，引起以載流子運動(dòng)為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化。這些都是由材料的半導體性質(zhì)決定的。
　　自從1962年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，半導體氣體傳感器已經(jīng)成為當前應用最普遍、最具有實(shí)用價(jià)值的一類(lèi)氣體傳感器，根據其氣敏機制可以分為電阻式和非電阻式兩種。
　　電阻式半導體氣體傳感器主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜(例如：Sn02，ZnO Fe203，Ti02等)制成的阻抗器件，其電阻隨著(zhù)氣體含量不同而變化。氣味分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應以引起傳感器傳導率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應。傳感器內的加熱器有助于氧化反應進(jìn)程。它具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應速度快、壽命長(cháng)、對濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下、對氣味或氣體的選擇性差、元件參數分散、穩定性不夠理想、功率要求高.當探測氣體中混有硫化物時(shí)，容易中毒?，F在除了傳統的SnO，Sn02和Fe203三大類(lèi)外，又研究開(kāi)發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開(kāi)發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應用范圍。另外，通過(guò)在半導體內添加Pt，Pd，Ir等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應時(shí)間。它能降低被測氣體的化學(xué)吸附的活化能，因而可以提高其靈敏度和加快反應速度。催化劑不同，導致有利于不同的吸附試樣，從而具有選擇性。例如各種貴金屬對Sn02基半導體氣敏材料摻雜，Pt，Pd，Au提高對CH4的靈敏度，Ir降低對CH4的靈敏度;Pt，Au提高對H2的靈敏度，而Pd降低對H2的靈敏度。利用薄膜技術(shù)、超粒子薄膜技術(shù)制造的金屬氧化物氣體傳感器具有靈敏度高(可達10-9級)、一致性好、小型化、易集成等特點(diǎn)。
　　非電阻式半導體氣體傳感器是MOS二極管式和結型二極管式以及場(chǎng)效應管式(MOSFET)半導體氣體傳感器。其電流或電壓隨著(zhù)氣體含量而變化，主要檢測氫和硅燒氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應，反應產(chǎn)物擴散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過(guò)分析器件性能的變化而識別VOC。通過(guò)改變催化金屬的種類(lèi)和膜厚可優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復雜，成本高。

　　電化學(xué)型氣體傳感器
　　電化學(xué)型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類(lèi)型。原電池式氣體傳感器通過(guò)檢測電流來(lái)檢測氣體的體積分數，市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，近年來(lái)，又開(kāi)發(fā)了檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^(guò)測量電解時(shí)流過(guò)的電流來(lái)檢測氣體的體積分數，和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測CO，NO，N02，02，S02等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分數。電量式氣體傳感器是通過(guò)被測氣體與電解質(zhì)反應產(chǎn)生的電流來(lái)檢測氣體的體積分數。離子電極式氣體傳感器出現得較早，通過(guò)測量離子極化電流來(lái)檢測氣體的體積分數已電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

　　固體電解質(zhì)氣體傳感器
　　固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。20世紀70年代開(kāi)始，固體電解質(zhì)氣體傳感器由于電導率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現在幾乎應用于環(huán)保、節能、礦業(yè)、汽車(chē)工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量大、應用廣，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。近來(lái)國外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類(lèi)：

　　1)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子相同的傳感器，例如氧氣傳感器等。
　　2)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子不相同的傳感器，例如用于測量氧氣的由固體電解質(zhì)SrF2H和Pt電極組成的氣體傳感器。
　　3)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，例如新開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的C02固體電解質(zhì)氣體傳感器是由固體電解質(zhì)NASICON(Na3Zr2Si2P012)和輔助電極材料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03，Li2C03- BaC03組成的。
　　目前新近開(kāi)發(fā)的高質(zhì)量固體電解質(zhì)傳感器絕大多數屬于第三類(lèi)。又如：用于測量N02的由固體電解質(zhì)NaSiCON和輔助電極N02- Li2C03制成的傳感器;用于測量H2S的由固體電解質(zhì)YST-Au-W03制成的傳感器;用于測量NH3的由固體電解質(zhì)NH4-Ca203制成的傳感器;用于測量N02的由固體電解質(zhì)Ag0.4Na7.6和電極Ag-Au制成的傳感器等。

　　接觸燃燒式氣體傳感器
　　接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，其工作原理是氣敏材料(如Pt電熱絲等)在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發(fā)生變化。這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測各種可燃氣體。這種傳感器有時(shí)稱(chēng)之為熱導性傳感器，普遍適用于石油化工廠(chǎng)、造船廠(chǎng)、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監測和報警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩定，并能對處于爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進(jìn)行檢測。

　　氣體傳感器的研究進(jìn)展
　　隨著(zhù)人們生活水平的提高和對環(huán)保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監控以及對食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提出了更高的要求，作為感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。氣體傳感器能夠實(shí)時(shí)對各種氣體進(jìn)行檢測和分析，具有靈敏度高，響應時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn);加上微電子、微加工技術(shù)和自動(dòng)化、智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得氣體傳感器體積變小、價(jià)格低廉、使用方便，因此它在軍事、醫學(xué)、交通、環(huán)保、質(zhì)檢、防偽、家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但目前市售的氣體傳感器仍然存在一些問(wèn)題，如選擇性和穩定性較差等。氣體傳感器各項性能指標的進(jìn)一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開(kāi)發(fā)正日益受到重視，世界各國紛紛投巨資進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究。
　　氣體傳感器的種類(lèi)很多，分類(lèi)標準不一，根據傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機理和效應不同主要可分為半導體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器、表面聲波氣體傳感器等形式。