气体传感器介绍

气体传感器介绍

1气体传感器简介

1、稳定性

2、灵敏度

3、选择性

4、抗腐蚀性

2气体传感器分类

1气体传感器简介

气体传感器是电子鼻系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体浓度转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、作干燥或制冷处理、样品抽吸、甚至对样品进行化学处理以便化学传感器进行更快速的测量。

采样方法直接影响传感器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。简单扩散是利用气体天然向四处传播的特性。目标气体穿过探头内的传感器，产生一个正比于气体浓度的信号。由于扩散过程渐趋减慢，所以扩散法需要探头的位置非常接近于测量点。扩散法的一个优点是它将气体样本直接引入传感器而无需物理和化学变换。

样品吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道的情况，这种技术可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流，所以在气流大小和流速经常变化的情况下，这种方法较值得推荐。将测量点的气体样本引到测量探头可能经过一段距离，距离的长短主要是根据传感器的设计。但采样线较长会加大测量滞后时间，该时间是采样线长度和气体从泄漏点到传感器之间流动速度的函数。对于某

SiH以及大多数生物溶剂，气体和汽化物样品量可能会因种目标气体和汽化物如

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为它们的吸附作用甚至凝结在采样管壁上而减少。

在任何情况下，探头及其内部气体传感器都必须能够检测某给定值以上的气体浓度，并发出报警信号;或者说，当气体浓度低于给定值时，探头不允许发出警报。经常误警会使人对传感器的可靠性产生怀疑，而忽略正确发出的警报，最终可能造成严重的后果。

在介绍气体传感器之前，有必要先对气体传感器的一些特性作一介绍:

1、稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性。它由零点漂移和区间漂移来考察。零点漂移是指在没有目标气体时在整个工作时间内传感器对基本线性条件的响应的变化，理想情况下，一个传感器可以在连续工作情况下每年零点漂移小于10%。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的响应变化，它表现为传感器输出在工作时间内的降低。一个传感器可以在连续工作情况下每年区间漂移小于10%。

2、灵敏度

灵敏度是指传感器的输出增量与被测输入量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用四种测定原理之一，即生物化学、电化学、物理、光学。在设计之初首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限值(TLU—thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL—lower explosive limit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。

3、选择性

选择性也被称为交叉灵敏度。它可以通过测量由某一浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定，这个响应等价于一定浓度的目标气体所生产的传感器响应。这种特性在工业加工领域追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高的选择性。

4、抗腐蚀性

抗腐蚀性是指传感器暴露于高浓度目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探测器应能够承受期望气体浓度1020倍，在返回正常工作条件时，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。

另外，从经济性方面考虑，传感器还应具备以下条件:

1)低成本;

2)长寿命;

3)易于标定和维护;

4)无需复杂的外围设备;

5)所产生的电子信号不需要由复杂的电子电路来处理。

气体传感器的最基本特征，即灵敏度、选择性及稳定性等主要通过材料选择确定。选择适当的材料以及开发新材料和使敏感特性最优化是气体传感器的基本课题。

2气体传感器分类

气体传感器是化学传感器的一个大的门类。从它们的工作原理到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。通常以气敏特性来分类，主要可分为:半导体型气体传感器，电化学型气体传感器，光化学型气体传感器，高分子气体传感器等。以下就目前技术上比较成熟、应用比较广泛的几类气体传感器的工作原理和制造工艺进行介绍。

① 几种主要气体传感器工作原理

(1)半导体气体传感器

半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属——金属氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如，2SnO , ZnO ,23Fe O , 2TiO , 3WO 等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。它具有成本低廉，制造简单，灵敏度高，响应速度快，寿命长，对湿度敏感低和电路简单等优点。但必须工作于高温下，对气味或气体的选择性差，元件参数分散，稳定性不够理想，功率要求高，当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。

现在除了传统的SnO , 2SnO 和23Fe O 三大类外，又研究开发了一批新型材料，包括单一金属氧化物材料，复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发，大大提高了气体传感器的特性和应用范围。

另外，通过在半导体内添加Pt, Pd, Ir 等贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响应时间。它能降低被测气体的化学吸附的活化能，因而可以提高其灵敏度和加快反应速度。催化剂不同，导致有利于不同的吸附试样，从而具有选择性。例如各种贵金属对2SnO 基半导体气敏材料搀杂，Pt, Pd, Au 提高对4CH 的灵敏度，Ir 降低对4CH 的灵敏度;Pt, Au 提高对H2的灵敏度，而Pd 降低对2H 的灵敏度。

利用薄膜技术、超粒子薄膜技术制造的金属氧化物气体传感器具有灵敏度高(可达ppb 级)、一致性好、小型化、易集成等特点。

另一类半导体气体传感器是MOS 二极管式和结型二极管式以及场效应管式 (MOSFET)的非电阻式半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烷气等可燃性气体。其中，MOSFET 气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如把)接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET 的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC 。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET 气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。

(2)电化学型气体传感器

电化学型气体传感器可分为原电池式，可控电位电解式，电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度，和原电池式不同的是，它需要由外界施加特定电压，它除了能检测CO ,

NO , 2NO , 2O , 2SO 等气体外，

还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高，选择性好。

(3)固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。70年代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高，灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎打进了环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域，其产量大、应用广，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。近来国外有些学者把固体电解质气体传感器分为下面三类:

I 类:材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧气传感器等。

II 类:材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如用于测量氧气的由固体电解质2SrF h 和Pt 电极组成的气体传感器。

III 类:材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子都不相同的传感器，例如新开发高质量的2CO 固体电解质气体传感器是由固体电解质NASICON (32212Na Zr Si PO )h 和辅助电极材料233Na CO BaCO -或233Li CO CaCO -、233Li CO BaCO -组成的。目前新近开发的高质量固体电解质传感器绝大多数属于第III 类。又如用于测量2NO 的由固体电解质NASICON 和辅

助电极2223Na NO Li CO -制成的传感器;用于测量2H S 的由固体电解质

YST-Au-3WO 制成的传感器;用于测量3NH 的由固体电解质4NH +-23Ca O 制成的传

感器;用于测量2NO 的由固体电解质0.47.64622()()Ag Na AlSiO NO 和电极Ag-Au 制成的传感器等。

(4)接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气敏材料如R 电热丝等在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而生温，从而使其电阻值发生变化，这种传感器对不燃烧气体不敏感。例如在铂丝上涂敷活性催化剂Rh 和Pd 等制成的传感器，具有广谱特性即能检测各种可燃气体，这种传感器有时称之为热导性传感器，普遍适用于石油化工厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。

(5)光学式气体传感器

光学式气体传感器主要是以红外吸收式气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发了流体切换式、流程直接测定式和富里叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式，其主要优点是灵敏度高，可靠性好。

光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料。当VOC 与荧光染料发生作用时，染料极性发生变化，使其荧光发射光谱发生位移。用光脉冲照射传感器时，荧光染料会发射不同频率的光。检测荧光染料发射的光，可识别VOC 。

（6）高分子气体传感器

近年来，国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下面几种:

1）高分子电阻式气体传感器

该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的浓度，目前的材料主要有酞著聚合物、LB 膜，聚毗咯等。其主要优点是制作工艺简单，成本低廉。但这种气敏传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，也引起各批产品之间性能差异。

2)浓差电池式气体传感器

浓差电池式气体传感器的工作原理是:气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体浓度，目前主要有聚乙烯醇一磷酸等材料。

3)声表面波((SAW)式气体传感器

SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体浓度，主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。其优势在于选择性高，灵敏度高，在很宽的温度范围内稳定，对湿度响应低和良好的可重复性。SAW传感器输出为准数字信号，因此可简便地与微处理器接口。此外，SAW传感器采用半导体平面工艺，易于将敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，从而降低测量成本。

Ⅳ石英振子式气体传感器

石英振子微秤(QCM)由直径为数微米的石英振动盘和制作在盘两边的电极构成。当振荡信号加在器件上时，器件会在它的特征频率((1 ～30MHz )发生共振。振动盘上淀积了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器件质量增加，从而引起石英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。

高分子气体传感器，对特定气体分子具有灵敏度高，选择性好，且结构简单，可在常温下使用，补充其它气体传感器的不足，发展前景良好。