氣體傳感器的介紹與應(yīng)用

1、氣體傳感器的介紹與應(yīng)用1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了第一個(gè)氣敏傳感器，1982年英國(guó)Warwick大學(xué)的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場(chǎng)合，比如氣體泄漏檢測(cè)，環(huán)境檢測(cè)等?，F(xiàn)在各國(guó)研究主要針對(duì)的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時(shí)間以及降低成本和智能化等。下面簡(jiǎn)單介紹各種常用的氣體傳感器的工作原理和一些常用氣體傳感器的最新的研究進(jìn)展。氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電

2、化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時(shí)其阻值的改變來(lái)檢測(cè)氣體的濃度；非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)使其某些特性發(fā)生變化對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接的檢測(cè)。接觸燃燒式氣體傳感器是基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理而設(shè)計(jì)的。另外與半導(dǎo)體傳感器不同的是，它幾乎不受周?chē)h(huán)境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導(dǎo)致電容變化的原理而設(shè)計(jì)。電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個(gè)電極之間的

3、化學(xué)電位差，一個(gè)在氣體中測(cè)量氣體濃度，另一個(gè)是固定的參比電極。電化學(xué)式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢(shì)和氣體濃度之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過(guò)薄層透氣膜或毛細(xì)孔擴(kuò)散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴(kuò)散電流。紅外吸收型傳感器，當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)， 這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收， 其吸收關(guān)系服從朗伯比爾(LambertBeer)吸收定律，通過(guò)光強(qiáng)的變化測(cè)出氣體的濃度。聲表面波傳感器的關(guān)鍵是SAW(surface acoustic wav

4、e)振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩器。SAW傳感器自身固有一個(gè)振蕩頻率，當(dāng)外界待測(cè)量變化時(shí)，會(huì)引起振蕩頻率的變化，從而測(cè)出氣體濃度。CO傳感器和最新敏感材料對(duì)CO氣體檢測(cè)的適用方法有比色法、半導(dǎo)體法、紅外吸收探測(cè)法、電化學(xué)氣體傳感器檢測(cè)法等。比色法是根據(jù)CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應(yīng)，因而使化合物顏色改變，通過(guò)顏色變化來(lái)測(cè)定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有電功耗。半導(dǎo)體CO傳感器，通過(guò)溶膠凝膠法獲得基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來(lái)測(cè)定氣體5?，F(xiàn)國(guó)外有研究對(duì)基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器工作在220時(shí)，

5、在中摻雜2的Pt時(shí)，傳感器對(duì)CO具有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應(yīng)，使得CO傳感器對(duì)很多氣體如、等都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對(duì)其他氣體的敏感度下降很多。CO電化學(xué)氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學(xué)電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過(guò)渡金屬元素，這類(lèi)元素具有空余的d、f電子軌道和多余的d、f電子，可在氧化還原的過(guò)程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物，具有較強(qiáng)的催化能力。又研制了一種新型的CO電化學(xué)式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極， Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對(duì)比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳

6、感器，對(duì)CO具有顯著的電化學(xué)催化效應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性好。利用CO氣體近紅外吸收機(jī)理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣體傳感器，該儀器檢測(cè)靈敏度可達(dá)到。另一種光學(xué)型傳感器是用溶膠凝膠鹽酸催化法和超聲制得薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與CO反應(yīng)，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化。TP-2 常溫型低功耗一氧化碳傳感器由 多晶體及適當(dāng)添加混合劑燒結(jié)而成。具有微珠式結(jié)構(gòu)，電壓振蕩響應(yīng)，唯一的選擇性和良好的環(huán)境適應(yīng)能力，抗干擾能力強(qiáng), 不需溫濕度補(bǔ)償,應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，本質(zhì)安全等特點(diǎn)。簡(jiǎn)單應(yīng)用電路如圖1圖1圖2輸出特性150ppm 一氧化炭氣體環(huán)境中傳感器輸出電壓 Vs 波形 圖3圖3表示在不同一氧化碳濃度的條件下傳感器輸出電壓 Vs 波形。 在 0800ppm 的范圍內(nèi)，此元件的線性度可以從振幅和振蕩的頻率來(lái)判斷，一氧化碳的濃度可用曲線下面的面積積分求得，更高的濃度