氣體傳感器分類

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(jī)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(shí)，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(cè)低濃度氣體，在可燃?xì)怏w檢測(cè)中有重要作用。

( 4) 非電導(dǎo)型的FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器，Pd -FET.場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴(kuò)散達(dá)到半導(dǎo)體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對(duì)H2、CO敏感。非電導(dǎo)型FET場(chǎng)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(duì)固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽(yáng)離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強(qiáng)的傳感器，研究較多達(dá)到實(shí)用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個(gè)電池之間的電位差等于濃差電池的電勢(shì)。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(cè)定和發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比成分測(cè)量等。

為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足，近幾年來(lái)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(dòng)的粒子數(shù)量聯(lián)系起來(lái)。

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(cè)?？扇?xì)怏w接觸表面催化劑

Pt 、Pd 時(shí)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)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(cè)氣體在特定電場(chǎng)下電離，由流經(jīng)的電解電流測(cè)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(duì)毒性氣體檢測(cè)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(cè)O2，其靈敏度高，缺點(diǎn)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(cè)氣體成分，非分散紅外吸收光譜對(duì)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(duì)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(qiáng)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(cè)溫已達(dá)到實(shí)用化程度，檢測(cè)氣體也是成功的。

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

優(yōu)點(diǎn)

紅外氣體傳感器及儀器應(yīng)用廣泛，適用于監(jiān)測(cè)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(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。并在未來(lái)逐步成為市場(chǎng)主流。

缺點(diǎn)

由于正在處于起步階段，技術(shù)壁壘高，市場(chǎng)占有率低，規(guī)模化生產(chǎn)程度低，造成成本高，基本在上千元左右。

根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境

根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行-個(gè)具體的測(cè)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?yàn)?，即使是測(cè)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(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題:量程的大小;被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求;測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式;信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量;傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)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?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)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?gòu)耐饨缫氲挠跀_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)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(cè)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(shí)間)

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有-定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)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(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，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(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，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(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

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(cè)量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測(cè)對(duì)象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題上目前還沒(méi)有統(tǒng)一，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。接下來(lái)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?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指?jìng)鞲衅鬟B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(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。

2、靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c被測(cè)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(jì)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(duì)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(cè)要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過(guò)測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來(lái)確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)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?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測(cè)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?jìng)鞲衅鞅┞队诟唧w積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時(shí)，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(diǎn)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(guò)材料的選擇來(lái)確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_(kāi)發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

"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。

有害氣體檢測(cè)的氣體傳感器的一大作用，有害氣體的檢測(cè)有兩個(gè)目的，第一是測(cè)爆，第二是測(cè)毒。所謂測(cè)爆是檢測(cè)危險(xiǎn)場(chǎng)所可燃?xì)夂?，超?biāo)報(bào)警，以避免爆炸事故的發(fā)生;測(cè)毒是檢測(cè)危險(xiǎn)場(chǎng)所有毒氣體含量，超標(biāo)報(bào)警，以避免工作人員中毒。

有害氣體有三種情況第一、無(wú)毒或低毒可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。針對(duì)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(cè)爆選擇可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀，測(cè)毒選擇有毒氣體檢測(cè)報(bào)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(zhǎng)期運(yùn)行的泄漏檢測(cè)選用固定式氣體傳感器;其他象檢修檢測(cè)、應(yīng)急檢測(cè)、進(jìn)入檢測(cè)和巡回檢測(cè)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(duì)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(shí)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(qǐng)傳感器技術(shù)人員上面勘察以便更好的選擇氣體傳感器。

一、著重于新氣敏材料與制作工藝的研究開(kāi)發(fā)

對(duì)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(cè)方面。這方面的工作主要有兩個(gè)方向:

1、是利用化學(xué)修飾改性方法，對(duì)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(duì)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(kāi)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(duì)不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。由于有機(jī)高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡(jiǎn)單、易于與其它技術(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。

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(jì)，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(kāi)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(zhǎng)期穩(wěn)定性好、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

三、氣體傳感器智能化

隨著人們生活水平的不斷提高和對(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害氣體的探測(cè)，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測(cè)以及對(duì)食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都對(duì)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(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)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(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體的全自動(dòng)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。

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(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，環(huán)境問(wèn)題一直是全國(guó)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(jī)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(cè)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(jī)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(shí)時(shí)預(yù)測(cè)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(shí)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(dòng)救災(zāi)為主動(dòng)防災(zāi)，使安全生產(chǎn)向科學(xué)化管理邁進(jìn)。