半導(dǎo)體與電化學(xué)氣體傳感器特性對比說明

1、一氧化碳傳感器氣體傳感器簡述一、電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器工作原理：基于電化學(xué)原理開發(fā)的一氧化碳?xì)怏w傳感器是目前廣范應(yīng)用于各類工業(yè)現(xiàn)場、礦山、家居環(huán)境中防止一氧化碳中毒的一種毒性氣體傳感器。其工作過程遵循法拉第定律?？珊唵伪硎鰹槔靡谎趸?xì)怏w在傳感器中工作電極上的電化學(xué)氧化過程，氧氣在對電極上的電化學(xué)還原過程。一氧化碳?xì)怏w電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。這樣，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。該種傳感器設(shè)計(jì)的理念最初主要基于預(yù)防工業(yè)、礦業(yè)等現(xiàn)場群體性一氧化碳中毒事件的發(fā)生，因此器件的精度和可靠性是其設(shè)計(jì)的最核心內(nèi)容。工藝技術(shù)的不斷成熟、制

2、造成本的快速降低，使得在工業(yè)用一氧化碳傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上衍生的用于家居環(huán)境中的一氧化碳傳感器大規(guī)模應(yīng)用變成現(xiàn)實(shí)，其具有的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)使其幾乎成了歐美發(fā)達(dá)國家居民家庭一氧化碳檢測的唯一選擇。電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器特性：功耗低，能滿足嚴(yán)格防爆要求。由於它是一只電池，響應(yīng)時(shí)不消耗能量，所附加的恒定電位較低，一般在幾十毫伏至二百毫伏內(nèi)，且漏電流極小，約為零點(diǎn)幾微安。因此這種傳感器用一節(jié)五號(hào)電池便可連續(xù)工作數(shù)百小時(shí)。再則這種傳感器在室溫中工作，對等易燃易爆氣體使用較安全。它可在地面惡劣環(huán)境中使用，也可在地下坑道中使用，能夠滿足嚴(yán)格的防爆要求。有較好的抗干擾性能。由於由不同氣體的電極和電解液組成

3、、配方均不同，它們的電極電位不同，反應(yīng)電流的最佳電極電位也不相同，因此具有較好的抗干擾性能。如在實(shí)驗(yàn)中測定氣體傳感器的響應(yīng)電流時(shí)，測量不受甲烷、汽油氣、等氣體的干擾。有穩(wěn)定的較高的輸出性能。由于工作電極是在恒定電位下工作，被測氣體能產(chǎn)生穩(wěn)定的電化學(xué)反應(yīng)，因而保證了這種氣體傳感器有優(yōu)良的穩(wěn)定輸出性能。只要加在參比電極上的電壓不變，它的輸出響應(yīng)就不會(huì)發(fā)生突變。因此這種傳感器的測量精度較高，可達(dá)到0.5X10-。響應(yīng)時(shí)間較快，20秒內(nèi)可達(dá)90。無需取樣，在不增加氣泵的情況下，只要被測氣體對準(zhǔn)傳感器的窗口，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)入擴(kuò)散電極便會(huì)迅速產(chǎn)生響應(yīng)。有較好的線性特性與溫度性能。從工作原理已知，在恒電位條

4、件下，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)和電解液一定時(shí)，氣體擴(kuò)散電極一定，此時(shí)，反應(yīng)電流就只與氣體濃度成正比，因此這類傳感器必然有較好的線性特性。由于所用電解液濃度高時(shí)吸收環(huán)境中的水蒸氣，而濃度低時(shí)電解液中的水分較易揮發(fā)，其電解液濃度會(huì)自動(dòng)平衡，電導(dǎo)率變化較小，從而傳感器靈敏度受環(huán)境變化的影響較小。二、金屬氧化物半導(dǎo)體一氧化碳傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體一氧化碳傳感器工作原理：基于半導(dǎo)體原理開發(fā)的一氧化碳?xì)怏w傳感器，常見的有旁熱式元件和自加熱元件（也叫常溫元件）由于其工作原理簡單、易于制造、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)曾引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。其原理可簡單表述為金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷

5、的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動(dòng)。在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位（晶界）才能形成電流。由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在工作條件下當(dāng)傳感器遇到一氧化碳?xì)怏w時(shí)，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢壘隨之降低。導(dǎo)致傳感器的阻值減小。從而實(shí)現(xiàn)對一氧化碳的檢測。該類一氧化碳傳感器由于其固有的精度、尤其是可靠性差與一氧化碳的檢測要求嚴(yán)重背離，這也是制約其大規(guī)模應(yīng)用的致命因素。半導(dǎo)體

6、氣體傳感器特性：1.半導(dǎo)體氣體傳感器的響應(yīng)速度和恢復(fù)速度與傳感器材料種類及所測氣體的種類相關(guān)，相應(yīng)通常在0回復(fù)時(shí)間約。在一定加熱條件下使用，電功率通常在幾百毫瓦。3.半導(dǎo)體傳感器的檢測原理是基于氣體在傳感器表面的化學(xué)吸附、反應(yīng)與脫附。環(huán)境溫度的變化會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)速度，從而影響傳感器的敏感特性。此外，水蒸氣會(huì)吸附在傳感器表面，濕度將會(huì)引起R的降低。精確使用半導(dǎo)體氣體傳感器時(shí)應(yīng)考慮溫、濕度的影響。三、半固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器半固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)一氧化碳傳感器工作原理：半固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)一氧化碳傳感器工作原理與電化學(xué)一氧化碳傳感器完全相同。使用的全液態(tài)酸性電解質(zhì)一直是業(yè)內(nèi)致力解決的主要問題

7、，全氟離子磺酸膜的研制成功，為人們解決這一問題帶來了希望。但由于全氟離子磺酸膜必須在有穩(wěn)定的水汽環(huán)境條件下才能穩(wěn)定工作，而且其保水性能極差這一前提，使得人們將利用全氟離子磺酸膜設(shè)計(jì)的一氧化碳傳感器額外附加了一個(gè)儲(chǔ)水池從而與人們的設(shè)計(jì)初衷完全背離，電化學(xué)傳感器存在的漏液現(xiàn)象其并不能真正的解決。水極易逃逸的特性導(dǎo)致該類傳感器與電化學(xué)一氧化碳傳感器性能相差甚遠(yuǎn)，因此盡管其極其廉價(jià)，其應(yīng)用仍然受到了極大限制。尤其是在工業(yè)、礦業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用仍是空白。半固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)一氧化碳傳感器特性：半固態(tài)電化學(xué)一氧化碳傳感器在選擇性、低功耗、線性輸出方面和通常的電化學(xué)一氧化碳傳感器的性能相差不大，但由于全氟離子交換膜

8、固有的特性，其不足之處主要是：1.固體電解質(zhì)氣體傳感器絕大部分采用全氟離子交換膜，電解質(zhì)內(nèi)部無流動(dòng)狀態(tài)的水，依靠吸附周圍環(huán)境的水蒸氣解離全氟離子交換膜上的質(zhì)子進(jìn)行質(zhì)子導(dǎo)電，其電導(dǎo)率低，易受環(huán)境濕度的影響因而精度較低。因而其不能滿足工業(yè)場合檢測毒性氣體時(shí)對精度的要求。2.由于固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率較低，固體電解質(zhì)氣體傳感器的靈敏度相對較低。低溫（C左右）固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率急劇下降，其靈敏度大幅降低，極有可能引起漏氣不警報(bào)的后果。另外在低溫時(shí)傳感器儲(chǔ)水池內(nèi)的水有可能結(jié)冰，造成傳感器性能的嚴(yán)重劣化甚至脹破傳感器外殼。固體電解質(zhì)在高溫低濕（C,）時(shí)嚴(yán)重失水，電導(dǎo)率也會(huì)大幅下降引起靈敏度降低，并且再次回到正

9、常環(huán)境中吸收水蒸氣達(dá)到重新平衡的狀態(tài)較慢，因而其性能恢復(fù)也較慢。四、電化學(xué)、半導(dǎo)體、半固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器性能參數(shù)對比表1電化學(xué)一氧化碳傳感器表2半固態(tài)電化學(xué)一氧化碳傳感器項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)量程lOOOppm最大測量限檢測壽命年靈敏度土分辨率溫度范圍20C5C壓力范圍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓土響應(yīng)時(shí)間（T90）V20s濕度范圍590%零點(diǎn)漂移（-20C4C）WlOppm穩(wěn)定性（/年）10%負(fù)載電阻（推薦）Q重復(fù)性3%輸出值輸出線性度線性項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)量程1000ppm最大測量限檢測壽命年靈敏度分辨率溫度范圍0C4C壓力范圍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓土響應(yīng)時(shí)間（T90）60s濕度范圍%90%零點(diǎn)漂移（0C4C）W15ppm穩(wěn)定性（/年）10%負(fù)載電阻（推薦）Q重復(fù)性5%輸出值輸出線性度線性表