氣體傳感器原理

　　分析氣體傳感器選擇及其分類

　　氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)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(duì)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(yīng)時(shí)間。目前，氣體的采樣方式主要是通過簡單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測器。(簡單擴(kuò)散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標(biāo)氣體穿過探頭內(nèi)的傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于氣體體積分?jǐn)?shù)的信號(hào)。由于擴(kuò)散過程漸趨減慢，所以擴(kuò)散法需要探頭的位置非常接近于測量點(diǎn)。擴(kuò)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(wěn)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)過一段距離，距離的長短主要是根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)，但采樣線較長會(huì)加大測量滯后時(shí)間，該時(shí)間是采樣線長度和氣體從泄漏點(diǎn)到傳感器之間流動(dòng)速度的函數(shù)。對(duì)于某種目標(biāo)氣體和汽化物，如SiH4以及大多數(shù)生物溶劑，氣體和汽化物樣品量可能會(huì)因?yàn)槠湮阶饔蒙踔聊Y(jié)在采樣管壁上而減少。)
　　根據(jù)測量對(duì)象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。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?yàn)?，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(jù)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題：量程的大小;被測位置對(duì)傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量;傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。
　　穩(wěn)定性：傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。
　　響應(yīng)特性 (反應(yīng)時(shí)間)：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。
　　線性范圍：傳感器的線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(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，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(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。
　　靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥?strong>靈敏度高時(shí)，與被測量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)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)傳感器的一大門類，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(duì)象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。
　　通常以氣敏特性來分類，主要可分為：半導(dǎo)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(dǎo)體氣體傳感器

　　半導(dǎo)體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)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(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化。這些都是由材料的半導(dǎo)體性質(zhì)決定的。
　　自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍、最具有實(shí)用價(jià)值的一類氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機(jī)制可以分為電阻式和非電阻式兩種。
　　電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)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(yīng)以引起傳感器傳導(dǎo)率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。它具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對(duì)濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下、對(duì)氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想、功率要求高.當(dāng)探測氣體中混有硫化物時(shí)，容易中毒。現(xiàn)在除了傳統(tǒng)的SnO，Sn02和Fe203三大類外，又研究開發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復(fù)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發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。另外，通過在半導(dǎo)體內(nèi)添加Pt，Pd，Ir等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)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(yīng)速度。催化劑不同，導(dǎo)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(duì)Sn02基半導(dǎo)體氣敏材料摻雜，Pt，Pd，Au提高對(duì)CH4的靈敏度，Ir降低對(duì)CH4的靈敏度;Pt，Au提高對(duì)H2的靈敏度，而Pd降低對(duì)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(dá)10-9級(jí))、一致性好、小型化、易集成等特點(diǎn)。
　　非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場效應(yīng)管式(MOSFET)半導(dǎo)體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，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(jī)化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而識(shí)別VOC。通過改變催化金屬的種類和膜厚可優(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(fù)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型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，近年來，又開發(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^測量電解時(shí)流過的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，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?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)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(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。20世紀(jì)70年代開始，固體電解質(zhì)氣體傳感器由于電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量大、應(yīng)用廣，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。近來國外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類：

　　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。
　　目前新近開發(fā)的高質(zhì)量固體電解質(zhì)傳感器絕大多數(shù)屬于第三類。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(duì)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?xì)怏w。這種傳感器有時(shí)稱之為熱導(dǎo)性傳感器，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報(bào)警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測。

　　氣體傳感器的研究進(jìn)展
　　隨著人們生活水平的提高和對(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害氣體的探測，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對(duì)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(hào)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?qū)崟r(shí)對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測和分析，具有靈敏度高，響應(yīng)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(yī)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(yīng)用。但目前市售的氣體傳感器仍然存在一些問題，如選擇性和穩(wěn)定性較差等。氣體傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開發(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。
　　氣體傳感器的種類很多，分類標(biāo)準(zhǔn)不一，根據(jù)傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機(jī)理和效應(yīng)不同主要可分為半導(dǎo)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。