氣敏傳感器介紹

　　氣敏傳感器可用于對(duì)氣體的定性或定量檢測(cè)。氣敏材料與氣體接觸后會(huì)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(cè)氣體種類(lèi)或濃度的變化轉(zhuǎn)化成傳感器輸出信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)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(duì)各種目標(biāo)氣體的定性或定量檢測(cè)，在環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)，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(lèi)

　　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(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)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(cè)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(guò)測(cè)量其變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。對(duì)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(shì)壘模型。

　　表1 半導(dǎo)體氣體傳感器的分類(lèi)

　　主要物理特性傳感器舉例工作溫度代表性被測(cè)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(chǎng)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(duì)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(jiàn)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(huì)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(cè)量槽，照射到某種被測(cè)氣體時(shí)，根據(jù)氣體種類(lèi)不同，將對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對(duì)紅外光的吸收量也不同。因此，通過(guò)測(cè)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(zhǎng)和光敏元件輸出的電信號(hào)就可以知道被測(cè)氣體的種類(lèi)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(jiàn)光波段的吸收光譜會(huì)發(fā)生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會(huì)發(fā)生變色。用此類(lèi)材料作為敏感元件可以在紫外—可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。

　　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(mén)生產(chǎn)流程控制的重要監(jiān)測(cè)手段；在環(huán)境污染成分檢測(cè)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(xiàn)，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(huì)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(lèi)不同濃度的可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量不同，對(duì)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(chǎng)、礦山及隧道等場(chǎng)合，以檢測(cè)石油類(lèi)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(duì)氣體選擇性好，線(xiàn)性好，受溫度、濕度影響下，響應(yīng)快。

　　缺點(diǎn)：對(duì)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(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)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(kāi)。氣體首先通過(guò)微小的毛管型開(kāi)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(hào)，通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)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(duì)封閉環(huán)境中有毒有害氣體的檢測(cè)，比如礦井、居室、工作間等地對(duì)CO，H2S和甲醛等的監(jiān)測(cè)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(cè)。

　　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(lèi)反應(yīng)機(jī)理優(yōu)缺點(diǎn)

　　半導(dǎo)體氣體傳感器通過(guò)測(cè)定氣體接觸前后半導(dǎo)體電性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體濃度和種類(lèi)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(duì)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(lèi)對(duì)于不同紅外波長(zhǎng)的吸收特性檢測(cè)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(lái)檢測(cè)氣體濃度和種類(lèi)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(duì)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(duì)應(yīng)電信號(hào)來(lái)檢測(cè)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

　　（1） 家用氣體報(bào)警器

　?。?） 有害氣體辨別

　?。?） 可燃性氣體濃度檢測(cè)

　?。?） 礦燈瓦斯報(bào)警器

　　（5） 煙霧報(bào)警器

　?。?） 酒精檢測(cè)報(bào)警器