氣敏傳感器介紹

　　氣敏傳感器可用于對氣體的定性或定量檢測。氣敏材料與氣體接觸后會發(fā)生化學(xué)或物理相互作用，導(dǎo)致其某些特性參數(shù)的改變，包括質(zhì)量，電參數(shù)，光學(xué)參數(shù)等。氣敏傳感器利用這些材料作為氣敏元件，把被測氣體種類或濃度的變化轉(zhuǎn)化成傳感器輸出信號的變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體檢測目的。

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　 ? 氣敏傳感器的應(yīng)用

　　氣敏傳感器主要用于對各種目標(biāo)氣體的定性或定量檢測，在環(huán)境氣體監(jiān)測，食品安全監(jiān)察，工業(yè)排放監(jiān)控，呼氣疾病診斷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

　　氣敏傳感器分類

　　根據(jù)氣敏元件的不同，氣體傳感器可分為半導(dǎo)體氣體傳感器，紅外吸收式氣敏傳感器，接觸燃燒式氣敏傳感器以及利用電極和電解液對氣體進(jìn)行檢測的電化學(xué)傳感器等。

　　3.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器

　　半導(dǎo)體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當(dāng)被測氣體在半導(dǎo)體表面吸附后，使半導(dǎo)體敏感材料的電學(xué)特性（例如電導(dǎo)率）發(fā)生變化，通過測量其變化，就可以實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測。對半導(dǎo)體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。

　　表1 半導(dǎo)體氣體傳感器的分類

　　主要物理特性傳感器舉例工作溫度代表性被測氣體

　　電阻式表面控制型氧化錫、氧化鋅室溫 ~ 450℃可燃性氣體

　　體控制型氧化鈦、氧化鈷

　　氧化鎂、氧化錫300 ~ 450℃

　　700℃以上酒精、可燃?xì)怏w、氧氣

　　非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇

　　二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫 ~200℃氫氣、一氧化碳、酒精

　　晶體管特性鉑柵MOS場效應(yīng)管150℃氫氣、硫化氫

　　優(yōu)點(diǎn)：成本低，反應(yīng)快，靈敏度高，濕度影響小。

　　缺點(diǎn)：必須高溫工作，對氣體選擇性差。

　　3.2 光學(xué)氣敏傳感器

　　光學(xué)氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外—可見光波段。

　　大多數(shù)氣體分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜都在紅外波段。當(dāng)入射紅外輻射的頻率與分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)特征頻率相同時(shí)，紅外輻射就會被氣體分子所吸收，引起輻射強(qiáng)度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。紅外光源產(chǎn)生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測氣體時(shí)，根據(jù)氣體種類不同，將對不同波長的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達(dá)光敏元件的紅外光的強(qiáng)度，根據(jù)紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號就可以知道被測氣體的種類和濃度。

　　圖1 量子型紅外光敏元件氣敏傳感器的構(gòu)成

　　某些材料和特定氣體接觸反應(yīng)后其在紫外—可見光波段的吸收光譜會發(fā)生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會發(fā)生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外—可見光波段實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測。

　　光學(xué)氣敏傳感器精度高、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機(jī)械等工業(yè)部門生產(chǎn)流程控制的重要監(jiān)測手段；在環(huán)境污染成分檢測和醫(yī)學(xué)生理研究等方面也都有許多成功的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，使用和維護(hù)難度較大。

　　3.3 接觸燃燒式氣敏傳感器

　　典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設(shè)有白金等金屬線，工作時(shí)金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸傳感器表面時(shí)會發(fā)生燃燒，所產(chǎn)生的熱量使金屬絲進(jìn)一步溫度升高，致使電阻值增大，導(dǎo)致電橋失衡產(chǎn)生輸出。不同種類不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對應(yīng)不同的電路輸出。

　　圖2 接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)與電路原理

　　接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性氣體的存放情況和防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。

　　優(yōu)點(diǎn)：對氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應(yīng)快。

　　缺點(diǎn)：對低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。

　　3.4 電化學(xué)氣敏傳感器

　　電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)傳感電極表面發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測量該電流即可確定氣體濃度。

　　電化學(xué)氣敏傳感器主要用于相對封閉環(huán)境中有毒有害氣體的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對CO，H2S和甲醛等的監(jiān)測和報(bào)警。

　　優(yōu)點(diǎn)：選擇性好，反應(yīng)迅速，靈敏度高，可實(shí)時(shí)連續(xù)檢測。

　　缺點(diǎn)：易受環(huán)境影響，價(jià)格較高。

　　3.5 各種氣敏傳感器的反應(yīng)機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)綜述

　　分類反應(yīng)機(jī)理優(yōu)缺點(diǎn)

　　半導(dǎo)體氣體傳感器通過測定氣體接觸前后半導(dǎo)體電性質(zhì)變化來檢測氣體濃度和種類優(yōu)點(diǎn)：成本低，反應(yīng)快，靈敏度高，濕度影響小

　　缺點(diǎn)：必須高溫工作，對氣體選擇性差

　　紅外氣體傳感器利用氣體不同濃度不同種類對于不同紅外波長的吸收特性檢測氣體優(yōu)點(diǎn)：精度、選擇性好，氣敏度范圍寬

　　缺點(diǎn)：價(jià)格偏高，使用和維護(hù)難度較大

　　可燃式氣體傳感器利用氣體燃燒產(chǎn)生熱量后電阻變化值來檢測氣體濃度和種類優(yōu)點(diǎn)：輸出與濃度成正比，再現(xiàn)性好，受溫濕度影響小

　　缺點(diǎn)：抗震性差，對于有毒氣體反應(yīng)差

　　電化學(xué)傳感器不同濃度氣體產(chǎn)生對應(yīng)電信號來檢測特定氣體的濃度優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，氣體選擇性好，在一定濃度可作分析儀器

　　缺點(diǎn)：價(jià)格較高，易受環(huán)境影響

　　 典型應(yīng)用

　?。?） 家用氣體報(bào)警器

　　（2） 有害氣體辨別

　?。?） 可燃性氣體濃度檢測

　　（4） 礦燈瓦斯報(bào)警器

　?。?） 煙霧報(bào)警器

　?。?） 酒精檢測報(bào)警器