氣體傳感器

氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個個紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。接下來了解一下氣體傳感器的主要特性:

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指傳感器在整個工作時間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點漂移和區(qū)間漂移。零點漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時，整個工作時間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號在工作時間內(nèi)的降低。理想情況下，一個傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點漂移小于10%。

2、靈敏度

靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對目標(biāo)氣體的閥限制(TLV-thresh-oldlimitvalue)或最低爆炸限(LEL-lowerexplosivelimit)的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來確定。這個響應(yīng)等價于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。

4、抗腐蝕性

抗腐蝕性是指傳感器暴露于高體積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分?jǐn)?shù)10~20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點校正值應(yīng)盡可能小。

氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

優(yōu)點

紅外氣體傳感器及儀器應(yīng)用廣泛，適用于監(jiān)測近乎各種易氣體。具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點。并在未來逐步成為市場主流。

缺點

由于正在處于起步階段，技術(shù)壁壘高，市場占有率低，規(guī)?；a(chǎn)程度低，造成成本高，基本在上千元左右。

根據(jù)測量對象與測量環(huán)境

根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行-個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題:量程的大小;被測位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號的引出方法，有線或是非接觸測量;傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。

靈敏度的選擇

通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

響應(yīng)特性 (反應(yīng)時間)

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有-定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。

線性范圍

傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。

"氣體傳感器"包括:半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器等。

半導(dǎo)氣體傳感器

這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據(jù)其機理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型.

(1 ) SnO2半導(dǎo)體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導(dǎo)體材料。當(dāng)施加電壓時，半導(dǎo)體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導(dǎo)體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時，使半導(dǎo)體表面電阻下降，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導(dǎo)體，氧化性氣體使電導(dǎo)下降，對O2敏感。ZnO半導(dǎo)體傳感器也屬于此種類型。

半導(dǎo)體氣體傳感器

a. 電導(dǎo)型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金屬酞青、Pt -SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt -SnO2 的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。

b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO -SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2 氟利昂。。傳感材料Pt -SnO2

容積控制型半導(dǎo)體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。

( 2) 容積控制型的是晶格缺陷變化導(dǎo)致電導(dǎo)率變化，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比例關(guān)系。

Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。

(3) 熱線性傳感器，是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，又稱熱線性半導(dǎo)體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。

這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃?xì)怏w檢測中有重要作用。

( 4) 非電導(dǎo)型的FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器，Pd -FET.場效應(yīng)晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴散達(dá)到半導(dǎo)體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H2、CO敏感。非電導(dǎo)型FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。

固體電解質(zhì)氣體傳感器

這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強的傳感器，研究較多達(dá)到實用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機理是利用隔膜兩側(cè)兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應(yīng)用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機空燃比成分測量等。

為彌補固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動的粒子數(shù)量聯(lián)系起來。

接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測?？扇?xì)怏w接觸表面催化劑

Pt 、Pd 時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應(yīng)用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，缺點是選擇性差。

電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)方式的氣體傳感器常用的有兩種

( 1 )恒電位電解式傳感器

是將被測氣體在特定電場下電離，由流經(jīng)的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。

( 2) 原電池式氣體傳感器

在KOH電解質(zhì)溶液中，Pt -Pb或Ag -Pb 電極構(gòu)成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。

光學(xué)氣體傳感器

( 1 )直接吸收式氣體傳感器

紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學(xué)氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。

另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關(guān)分光、二次導(dǎo)數(shù)、自調(diào)制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類( CH4) 等氣體具有較高的靈敏度。

( 2)光反應(yīng)氣體傳感器

光反應(yīng)氣體傳感器是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強度吸收等光學(xué)特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。

( 3 )氣體光學(xué)特性的新傳感器

光導(dǎo)纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應(yīng)、發(fā)熱。溫度改變，導(dǎo)致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達(dá)到實用化程度，檢測氣體也是成功的。

此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發(fā)，如聲表面波傳感器檢測SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。

一、著重于新氣敏材料與制作工藝的研究開發(fā)

對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導(dǎo)體材料Zn0，SIlo2，F(xiàn)e203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。這方面的工作主要有兩個方向:

1、是利用化學(xué)修飾改性方法，對現(xiàn)有氣體敏感膜材料進(jìn)行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高氣體傳感器的穩(wěn)定性和選擇性;

2、是研制開發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點，已成為研究的熱點。

二、新型氣體傳感器的研制

用傳統(tǒng)的作用原理和某些新效應(yīng)，優(yōu)先使用晶體材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先進(jìn)的加工技術(shù)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制新型傳感器及傳感器系統(tǒng)，如光波導(dǎo)氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發(fā)與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩(wěn)定性好、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。

三、氣體傳感器智能化

隨著人們生活水平的不斷提高和對環(huán)保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測以及對食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術(shù)等新材料研制技術(shù)的成功應(yīng)用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)字式的智能氣體傳感器將是該領(lǐng)域的重要研究方向。

有害氣體檢測的氣體傳感器的一大作用，有害氣體的檢測有兩個目的，第一是測爆，第二是測毒。所謂測爆是檢測危險場所可燃?xì)夂?，超?biāo)報警，以避免爆炸事故的發(fā)生;測毒是檢測危險場所有毒氣體含量，超標(biāo)報警，以避免工作人員中毒。

有害氣體有三種情況第一、無毒或低毒可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。針對這三種不同的情況，一般我們選擇傳感器需要選擇不同的氣體傳感器。例如測爆選擇可燃?xì)怏w檢測報警儀，測毒選擇有毒氣體檢測報警儀等。其次我們需要選擇氣體傳感器的類型，一般有固定式和便攜式。生產(chǎn)或貯存崗位長期運行的泄漏檢測選用固定式氣體傳感器;其他象檢修檢測、應(yīng)急檢測、進(jìn)入檢測和巡回檢測等選用便攜式氣體傳感器。

氣體傳感器類型有成百上千種，針對不同的氣體傳感器可能有不同的選用技巧，客戶在選擇氣體傳感器的時候如果自己不是很清楚可以咨詢傳感器廠家的技術(shù)人員，讓他們?yōu)槟氵x擇合適的氣體傳感器，或者請傳感器技術(shù)人員上面勘察以便更好的選擇氣體傳感器。

應(yīng)用于建設(shè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等氣體探測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，環(huán)境問題一直是全國乃至全世界最關(guān)心的話題之一，人類賴以生存的環(huán)境一直在遭受著嚴(yán)重的破壞，如何保護(hù)環(huán)境就需要建立環(huán)境監(jiān)管機制，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)成為必要，而氣體傳感器作為環(huán)境檢測的必備傳感器將有助于建設(shè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)最核心和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，是各種信息和人工智能的橋梁，其技術(shù)領(lǐng)域中重要門類之一的氣體傳感器，橫跨功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術(shù)、納米技術(shù)、有機高分子等眾多基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科。高性能的氣體傳感器能大大提高信息采集、處理、深加工水平，提高實時預(yù)測事故的準(zhǔn)確性，不斷消除事故隱患，大幅度減少事故特別是重大事故的發(fā)生。能有效實現(xiàn)安全監(jiān)察和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理的電子化，變被動救災(zāi)為主動防災(zāi)，使安全生產(chǎn)向科學(xué)化管理邁進(jìn)。