氣體傳感器基礎(chǔ)知識(shí)講解

1、氣體傳感器基本知識(shí)傳感器是對(duì)信息有感受的器件。 按照傳感器感知的信息種類分類： 傳感器分為物理量 （物理信息） 傳感器、化學(xué)量（化學(xué)信息）傳感器、生物量（生物信息）傳感器。物理量傳感器包括 :力學(xué)量，光學(xué)量，熱學(xué)量，電學(xué)量傳感器。 即力、光、熱、電。力學(xué)量中常見 :壓力，加速度，位移；光學(xué)量中 常見 :可見光，紅外，紫外。熱學(xué)量中常見 :低溫，中溫，高溫。電學(xué) 量中常見 :電流，電壓，電場(chǎng)，電磁等；化學(xué)量傳感器 :成份、濃度。生物量傳感器 :血壓、血糖、血脂、心率等。 按照傳感過程中信息和傳感器的作用過程的屬性分類： 傳感器可 以分為物理類、化學(xué)類、生物類氣體傳感器是測(cè)量氣體成分和濃度的化學(xué)量

2、傳感器。氣體傳感器按氣體與傳感器的作用方式分類 :物理類，化學(xué)類、 生物類。物理類即傳感作用過程是物理過程， 即傳感作用過程不導(dǎo)致氣體 化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 化學(xué)類即傳感作用過程是化學(xué)過程， 即傳感作用 過程導(dǎo)致氣體化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。生物類即傳感作用過程是生物過 程，即傳感作用過程通過生物活動(dòng)導(dǎo)致氣體化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。常見的物理類氣體傳感器 :熱傳導(dǎo)、紅外吸收，表面聲波， QCM化學(xué)類 :半導(dǎo)體，催化，電化學(xué)等生物類在普通工業(yè)、家庭不太常用在常見的氣體傳感器 PID嚴(yán)格講是另類 :為物理化學(xué)類。即物理方 法導(dǎo)致化學(xué)變化。氣體傳感器門類眾多， 一下進(jìn)介紹幾種常見的不同工作原理的氣 體傳感器半導(dǎo)體氣

3、體傳感器： 原理:在一定的溫度條件下，被測(cè)氣體到達(dá)半導(dǎo)體敏感材料表 面時(shí)將與其表面吸附的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ,并導(dǎo)致半導(dǎo)體敏感材料電阻 發(fā)生變化， 其電阻變化率與被測(cè)氣體濃度呈指數(shù)關(guān)系， 通過測(cè)量電阻 的變化即可測(cè)得氣體濃度。單支半導(dǎo)體氣體傳感器通過選擇性催化、 物理或化學(xué)分離等方式在已知環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的有限識(shí)別。 大 規(guī)模半導(dǎo)體氣體傳感器陣列可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未知環(huán)境中氣體種類的精確 識(shí)別。半導(dǎo)體顧名思義是電導(dǎo)率介于絕緣體與導(dǎo)體之間的物質(zhì)。半導(dǎo) 體氣體傳感器的敏感材料就這么一種物質(zhì)。 常見的氣體敏感材料分為 表面控制型和體控制型。表面控制即電阻由晶粒表面和晶粒晶界控 制，體控制即電阻由晶粒尺寸和載

4、流子濃度控制。 用于氣體傳感器的 半導(dǎo)體材料除具有半導(dǎo)體的屬性外還需要具備以下條件 :a、易獲得， b、在較低溫度下對(duì)氧氣和目標(biāo)氣體有很好的吸附能力； c、自身有良 好催化特性； d、機(jī)械結(jié)構(gòu)可調(diào)； e、電性能可調(diào)； f、燒結(jié)性能好； g、 氧氣和被測(cè)氣體在室溫或一定的溫度條件下， 在其表面有很好的化學(xué) 反應(yīng)能力、并在該溫度下對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物有較好的脫附能力； h、與其它輔助材料成型后有較好的相融性、 化學(xué)穩(wěn)定性、并有適合的微缺陷等。符合這種條件的常見材料二氧化錫、氧化鎢、氧化銦、偏錫酸鋅等。 這里最重要的概念與性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系 :溫度 -功耗、漂移 ;吸附及化學(xué)反 應(yīng)-靈敏度、選擇性、漂移、線性、初

5、始穩(wěn)定時(shí)間以及響應(yīng)時(shí)間 ;脫附 - 恢復(fù)時(shí)間。 半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 廉價(jià)、耐用、設(shè)計(jì)及制造過程簡(jiǎn)單。 半導(dǎo)體傳感器的弱點(diǎn) :功耗大、漂移、線性差。無論其優(yōu)點(diǎn)還是弱點(diǎn) 均與上述對(duì)應(yīng)關(guān)系相關(guān)。如漂移 :傳感器會(huì)吸附氧氣，當(dāng)氧氣濃度變 化時(shí) （如雨天，氧濃度變小 ），吸附量會(huì)變化，零點(diǎn)必會(huì)漂啊漂。總之 半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)首先是由其工作原理決定的， 是先天的。 后天 的設(shè)計(jì)、制造可以改善，但不能消除。紅外氣體傳感器 :原理 :由不同原子構(gòu)成的分子會(huì)有獨(dú)特的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)其 受到相同頻率的紅外線照射時(shí) ,就會(huì)發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光 強(qiáng)的變化， 通過測(cè)量紅外線強(qiáng)度的變化就可以測(cè)得氣體濃度；

6、需要說 明的是振動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)是兩種不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)， 這兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)對(duì)應(yīng)不 同的紅外吸收峰， 振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)本身也有多樣性； 因此一般情況下一種 氣體分子會(huì)有多個(gè)紅外吸收峰； 根據(jù)單一的紅外吸收峰位置只能判定 氣體分子中有什么基團(tuán)， 精確判定氣體種類需要看氣體在中紅外區(qū)所 有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。 但在已知環(huán)境條件下， 根據(jù) 單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。 由于在零下 273 攝氏度即絕對(duì)零度以上的一切物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生紅外幅射， 紅外幅射與溫 度正相關(guān)，因此， 同催化元件一樣，為消除環(huán)境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會(huì)由一對(duì)紅外探測(cè)器構(gòu)成。一個(gè)完整的紅外氣體傳感

7、器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測(cè) 器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。為什么紅外氣體傳感器不能測(cè)量氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔上嗤?原子構(gòu)成的氣體分子 ?月亮和地球、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內(nèi)部原子間 靠化學(xué)鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地 球軌道將是圓的， 實(shí)際上上面兩個(gè)條件都不成立， 因此其軌道是橢圓 的，也就是地球和太陽之間的距離不停地在短半徑和長(zhǎng)半徑之間轉(zhuǎn) 換，即振動(dòng)，只是振動(dòng)周期長(zhǎng)達(dá)一年，在這個(gè)過程中，地球處于短半 徑點(diǎn)和長(zhǎng)半徑點(diǎn)時(shí)， 它和太陽之間的引力是不同的， 即能量級(jí)別不同。 在分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由 于電子分布的不均衡而不停發(fā)生變化，

8、即振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，而且不同的分 子會(huì)有獨(dú)特的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 ,當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時(shí)會(huì)產(chǎn) 生諧振、原子間距離和電子分布發(fā)生變化即偶極距發(fā)生變化， 紅外吸 收就是這樣產(chǎn)生的 （紫外吸收同理 ）。以上內(nèi)容中包含紅外吸收的兩個(gè) 基本條件 :諧振、偶極距變化。這兩個(gè)條件同時(shí)滿足才能產(chǎn)生紅外吸 收。氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔赏环N原子構(gòu)成的分子為什么沒有紅外吸 收峰 :兩個(gè)基本條件一是氣體分子振動(dòng)頻率與照射的紅外線頻率相 同，二是偶極距變化。不難理解，第一個(gè)條件容易滿足，第二個(gè)條件 無可能性。 相同原子構(gòu)成的分子正負(fù)電荷中心完全重疊， 即偶極距為 零，其結(jié)果是電子在分子中的分布是均衡的， 以紅外光本身的低能

9、量密度特征，其照射不會(huì)改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會(huì) 導(dǎo)致能量變化。而不同原子構(gòu)成的分子 :以水（蒸氣）分子為例 ,分子中電 子的分布偏向氧這端，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性,氧那一端呈負(fù)電性，正負(fù)電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零。這是因?yàn)?氧吸引電子的能力比氫強(qiáng)的緣故。 在與水分子振動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的 紅外線照射時(shí)， 會(huì)使電子在水分子中的分布更偏向氧一端， 導(dǎo)致氫和 氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照 射時(shí)會(huì)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)， 紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。 可以這樣 去簡(jiǎn)單理解 :紅外線與相同原子組成的分子相遇時(shí)，由于相同原子組 成的分子是理想的彈

10、性球體， 兩者的相互作用是完全彈性碰撞， 只有 能量交換，沒有能量轉(zhuǎn)移。 不同原子組成的分子與紅外線相互作用則 有能量轉(zhuǎn)移。因此，紅外吸收原理不能測(cè)相同原子構(gòu)成的分子。紅外 吸收原理只能測(cè)不同原子構(gòu)成的分子。 由于同一分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的多樣 性使其具多種不同的振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率， 因此，對(duì)紅外吸收的分子 會(huì)有多個(gè)吸收峰；另外，具有相同化學(xué)鍵的分子 （如水和酒精分子中 的氫氧鍵 ）會(huì)有相近的吸收峰，干擾由此產(chǎn)生。非色散紅外吸收氣體傳感器 :非色散 :白光通過三棱鏡會(huì)被分為 七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。這個(gè)三棱鏡就是一個(gè)分光系 統(tǒng)，能把 7 色光分開。有分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即色散型光學(xué)系統(tǒng) ,無

11、 分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即非色散性。非色散系統(tǒng)簡(jiǎn)易、可靠、小巧、廉 價(jià)。平時(shí)我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長(zhǎng)混合 成的光；而單頻率、單波長(zhǎng)的光即單色光。前面講到只有紅外線的頻 率和氣體分子振動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同時(shí)才會(huì)產(chǎn)生紅外吸收， 理論上在設(shè) 計(jì)氣體傳感器時(shí)， 我們希望用單色光去照射氣體或者照射后我們用設(shè) 置光柵 （濾光片 ）的辦法獲得單色光。非色散紅外氣體傳感器通常由光 源、光學(xué)腔體、濾光片 （光柵 ）、探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，在傳感 器中濾光片和探測(cè)器是一體的。紅外氣體傳感器優(yōu)點(diǎn) :1、除了相同原 子組成的氣體，所有氣體都可以測(cè)。 2、全量程。 3、傳感過程本身不 會(huì)干擾傳感。

12、缺點(diǎn) :1、昂貴。紅外氣體傳感器本質(zhì)上是紅外幅射導(dǎo)致 探測(cè)器溫度變化進(jìn)而是電性能變化的溫度傳感器， 傳感過程復(fù)雜。 要 求系統(tǒng)有如下特征 :光源必須有穩(wěn)定的紅外幅射；光學(xué)腔體物理化學(xué) 性質(zhì)穩(wěn)定；濾光片及紅外探測(cè)器穩(wěn)定。這些問題，合理的工藝技術(shù)本 身能較好的解決，但是制造成本高，導(dǎo)致價(jià)格昂貴。 2、在普通的以 寬頻紅外光源加濾光片加探測(cè)器設(shè)計(jì)中， 濾光片本身不能實(shí)現(xiàn)理想的 選擇性濾光， 因此干擾尤其是水的干擾一直存在。 選擇性的問題深層 原因在于很多不同的氣體分子會(huì)有相同的化學(xué)鍵， 即有相近甚至重疊 的紅外吸收。 3、粉塵、背景幅射、強(qiáng)吸附及氣、液、固易發(fā)生轉(zhuǎn)換 的檢測(cè)對(duì)象都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響

13、。近紅外 :波長(zhǎng) 0.7um2.0um；中紅外 :波長(zhǎng) 2.0um15um。氣體吸收 峰 :每一種氣體的吸收峰不止一個(gè)如 :甲烷在近紅外 1.3um，1.65um； 中紅外 2.6um、 3.31um，3.43um，6.5um 等處都有吸收峰。激光光源 :最接近單色光的光源。 我們大概容易想到，同一氣體分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的多樣性導(dǎo)致其 有多個(gè)吸收峰； 含有相同化學(xué)鍵的分子會(huì)有相近的吸收峰。 因此紅外傳感器的技術(shù)發(fā)展路徑很清楚 :單色光源、集成化、微型化、低功耗目前最大的問題 :近紅外區(qū)只有個(gè)別波長(zhǎng)有較廉價(jià)的激光器做單色 光，而且在近紅外區(qū)氣體吸收較弱。 在氣體對(duì)紅外的強(qiáng)吸收區(qū)中紅外 區(qū)，激光器制

14、造工藝復(fù)雜， 激光材料、理論及器件未有商業(yè)價(jià)值突破， 導(dǎo)致中紅外激光器極昂貴。 這嚴(yán)重限制了紅外氣體傳感器在復(fù)雜環(huán)境 下的應(yīng)用。在常見的氣體中目前二氧化碳是紅外原理最強(qiáng)的應(yīng)用,也是基于節(jié)能的最具商業(yè)前景的應(yīng)用；其次是甲烷。催化燃燒式氣體傳感器 :原理:一般由線徑 15um或 20um或 30um 的高純度鉑線圈并在其 外包裹載體催化劑形式球體， 在一定的溫度條件下， 當(dāng)可燃性氣體與 上述球體接觸時(shí)會(huì)與其表面的吸附氧發(fā)生劇烈的無焰燃燒反應(yīng)， 反應(yīng) 釋放的熱量導(dǎo)致鉑線圈溫度變化， 溫度變化又導(dǎo)致鉑線圈電阻發(fā)生變 化，測(cè)量電阻變化就可以測(cè)到氣體濃度。 因此與其說催化元件是氣體 傳感器不如說他是個(gè)溫度

15、傳感器，為克服環(huán)境溫度變化帶來的干擾， 催化元件會(huì)成對(duì)構(gòu)成一支完整的元件，這一對(duì)中一個(gè)對(duì)氣體有反應(yīng)， 另一個(gè)對(duì)氣體無反應(yīng)， 而只對(duì)環(huán)境溫度有反應(yīng)， 這樣兩支元件相互對(duì) 沖就可以消除環(huán)境溫度變化帶來的干擾。 從溫度傳感器去理解催化元 件會(huì)在開發(fā)、應(yīng)用時(shí)引導(dǎo)我們不僅僅關(guān)注傳感過程中化學(xué)反應(yīng)本身， 也會(huì)吸引我們?nèi)ジ嗟年P(guān)注傳感過程與溫度有關(guān)的溫度場(chǎng)的分布與 變化、溫度場(chǎng)與傳感器球體的位移關(guān)系、熱傳導(dǎo)與熱幅射、及傳質(zhì)與 熱傳導(dǎo)等。實(shí)際上，決定催化元件性能的因素中，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生 只是眾多傳感要素中不太重要的要素， 和熱傳遞相關(guān)的因素才是最核 心的。和半導(dǎo)體元件不同，催化元件傳感過程較為復(fù)雜，前者是氣

16、體 與傳感器接觸后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)直接導(dǎo)致傳感器電阻即電信號(hào)的變 化，后者則是氣體在催化元件上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)首先導(dǎo)致的結(jié)果是傳 感器載體表面及載體內(nèi)部的溫度變化， 載體的溫度變化經(jīng)過熱傳遞最 終導(dǎo)致鉑線圈電阻的變化，完成傳感的全過程。傳感過程復(fù)雜，導(dǎo)致 問題產(chǎn)生的幾率就大一些。 1、對(duì)長(zhǎng)分子鏈的有機(jī)物以及不飽和烴， 對(duì)半導(dǎo)體來說， 不完全反應(yīng)導(dǎo)致的積炭只會(huì)對(duì)反應(yīng)過程產(chǎn)生影響， 而 不會(huì)對(duì)電子傳輸產(chǎn)生大的影響， 而對(duì)催化來講， 炭的存在不僅影響反 應(yīng)過程， 更會(huì)對(duì)熱傳遞產(chǎn)生劇烈影響， 結(jié)果是反應(yīng)產(chǎn)生的熱量向傳感 器內(nèi)部傳遞效率變低了，熱量大都散失掉了，最終是，同樣的氣體濃 度，釋放同樣的熱，由于炭

17、的存在，導(dǎo)致傳感器 :溫度只有很小的變 化，即靈敏度變得很低。 2、因?yàn)樾枰獰醾鬟f，為了保證熱效率，反 應(yīng)必須在瞬間完成， 即要求有極高的反應(yīng)效率， 就需要有大量的納米 級(jí)的催化劑以及納米級(jí)的孔，這樣的特征有利于傳感也有利于中毒。 3、催化元件的線性是由兩個(gè)因素決定的 a、溫度傳感材料 pt 線圈的 電阻 溫度特性是線性的。 b、爆炸下限以內(nèi)反應(yīng)放熱和氣體濃度是線 性的。因此，兩個(gè)因素任一發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致傳感器線性變化。實(shí) 際上，鉑線圈會(huì)持續(xù)升華變細(xì)即導(dǎo)阻變大； 反應(yīng)釋放的熱量與濃度的 線性關(guān)系只在氣體濃度為爆炸下限以內(nèi)時(shí)才成立。催化元件的未來主要取決于工藝技術(shù)的進(jìn)步 :1、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，解決

18、的問題是震動(dòng)引起的漂移。 2、過濾層改進(jìn)，解決的問題是中毒。 3、開發(fā)新材料改善積碳。 4、制造過程對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的保障如避免形變。 5、 MEMS化。需要說明的是，器件結(jié)構(gòu)、封裝、制造工藝的改進(jìn)不僅會(huì) 改善元件的綜合性能，也會(huì)引發(fā)新的應(yīng)用。和半導(dǎo)體相比，催化元件 MEMS 化的困境在于如何在小的表面積下有更高的催化效率、熱效 率。6、催化元件的應(yīng)用定位會(huì)更精準(zhǔn)專一。 7，催化元件不會(huì)被淘汰。電化學(xué)傳感器 : 電化學(xué)就是研究電學(xué)和化學(xué)行為之間關(guān)系的學(xué) 科。這個(gè)學(xué)科最重要的應(yīng)用是電能與化學(xué)能之間的高效轉(zhuǎn)換和大功率 密度存儲(chǔ)技術(shù)。 我們知道傳感器表觀上是信息種類、 信息量的轉(zhuǎn)換裝 置，如壓力信息轉(zhuǎn)換為

19、電信息的壓力傳感器等。 本質(zhì)上傳感器是一種 能量轉(zhuǎn)換裝置，如壓力傳感器就是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。 因此， 很容易理解，電化學(xué)氣體傳感器就是一個(gè)電池，叫氣體燃料電池。最 常見的電池， 把一堆可以導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)裝起來， 插入兩個(gè)不同材料 的電極，用導(dǎo)線連接就會(huì)有電產(chǎn)生。以鉛酸蓄電池為例，硫酸水溶液 就是導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)，把鉛放進(jìn)其中，在鉛和硫酸接觸的地方 （界面 ） 會(huì)產(chǎn)生電，把氧化鉛放進(jìn)去，界面也會(huì)有電，兩個(gè)界面電量有差異， 即有電壓， 用導(dǎo)線連起來電子就會(huì)從鉛流到氧化鉛， 鉛就變成了氧化 鉛，氧化鉛變成了氧化亞鉛。電量和化學(xué)量及反應(yīng)過程相關(guān)聯(lián)。這里 最重要的概念 :一是把一個(gè)導(dǎo)體插入導(dǎo)電的化

20、學(xué)物質(zhì)中界面會(huì)產(chǎn)生電 位，同一種物質(zhì)中插入不同的導(dǎo)體產(chǎn)生不同的電位。 二是不同的電位 相連接， 在界面會(huì)發(fā)生反應(yīng)。 三是導(dǎo)電回路由電池和外接導(dǎo)線兩部分 構(gòu)成。電池外部在連接導(dǎo)線內(nèi)是電子，電池內(nèi)是離子。即導(dǎo)電過程由 電子移動(dòng)和離子移動(dòng)共同完成。為什么產(chǎn)品設(shè)計(jì)要追求極簡(jiǎn)?在鉛、氧化鉛、 硫酸水溶液構(gòu)成的鉛酸蓄電池中， 鉛是產(chǎn)生并輸送電子的一 極，氧化鉛是獲得電子的一極， 兩個(gè)電極在硫酸水溶液兩端電極間產(chǎn) 生電壓。如果用導(dǎo)線把兩個(gè)電極連起來， 電子就會(huì)從鉛通過導(dǎo)線流到 氧化鉛，硫酸水溶液中氫離子從鉛那一端通過硫酸水溶液流到氧化 鉛。電化學(xué) CO氣體傳感器是一個(gè)化學(xué)電池即 CO燃料電池。其中: CO

21、是提供電子的一極 （工作電極 ），氧氣是獲得電子的一極，硫酸水溶液 是電解質(zhì)。 和鉛酸蓄電池最大的不同是電極材料不同， 電化學(xué)氣體傳 感器（co）電極材料是氣體，鉛酸蓄電池是固體。電化學(xué)氣體傳感器的 電極叫氣體電極。電化學(xué) CO氣體傳感器中，工作電極 CO 作為供電 子的一極，只有 CO和硫酸水溶液觸是無法進(jìn)行的電子釋放、收集和 傳導(dǎo)的。其一 CO完成提供電子的過程需要條件，即在電催化條件下 降低 CO提供電子的難度。實(shí)踐中這個(gè)條件由多孔鉑電極（或其它電 催化導(dǎo)電電極）提供。其二， CO 提供的電子需要導(dǎo)體收集后傳導(dǎo)， 也由多孔鉑電極完成。 同理， 作為對(duì)電極的氧氣電極亦需要有多孔鉑 電極協(xié)助

22、獲得電子。 鉑電極實(shí)際上是反應(yīng)平臺(tái)。 電化學(xué)傳感器傳感原 理雖然簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)可靠精確的傳感卻很難 :其一需要鉑電極有穩(wěn) 定的多孔結(jié)構(gòu)，孔的數(shù)量足夠多，硫酸水溶液進(jìn)到孔里， CO （或氧氣 ） 也能進(jìn)到孔里，在氣 （CO）-固 （pt）-液（硫酸水溶液中的水 ）共同接觸的位 置即三相界面完成電子提供。因此 ,三相界面如何在硫酸長(zhǎng)期浸泡、 電化學(xué)反應(yīng)沖擊、電泳驅(qū)動(dòng)下保持穩(wěn)定，是可靠精確傳感的核心。其 二，硫酸水溶液要穩(wěn)定，不揮發(fā)，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液 的質(zhì)量變化都會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部壓力的變化 ,進(jìn)而引起三相界面的變化。其三、由封裝、材料物理特性決定的電極和硫酸水溶液接觸應(yīng)力 要穩(wěn)定不變。

23、 目前電化學(xué)傳感器的主要問題基本源于上述因素。 電化 學(xué)傳感器最核心的技術(shù)及工藝之一是如何構(gòu)建孔的物理結(jié)構(gòu)合理穩(wěn) 定可靠的電極，它和靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)、壽命、溫度特性密切相關(guān)。 其二是封裝。 電化學(xué)傳感器存在的問題如干燥條件下的失水失活、 高 濕條件下的吸水漏液， 長(zhǎng)期接觸被測(cè)氣體導(dǎo)致的中毒失活， 電極孔結(jié) 構(gòu)解體導(dǎo)致的失活。體現(xiàn)在性能上是漏液、壽命短 （相比其它原理 ）、 體積大。體現(xiàn)在制造上表現(xiàn)為設(shè)計(jì)、工藝復(fù)雜、制造成本昂貴。這些 問題其中多數(shù)與液態(tài)電解液有關(guān) ;中毒則與電催化反應(yīng)性質(zhì)有關(guān)。同 樣的，這些問題可以通過好的技術(shù)工藝路線去改善他，卻不能消除。 需要注意的是 :正確的技術(shù)工藝設(shè)計(jì)最

24、終體現(xiàn)在產(chǎn)品上需要在和傳感 器場(chǎng)景應(yīng)用互動(dòng)過程中長(zhǎng)時(shí)間 （數(shù)年 ）的積累、修正、完善，才能實(shí)現(xiàn) 該設(shè)計(jì)理論框架下的理想產(chǎn)品。 一個(gè)沒有經(jīng)歷這個(gè)過程的技術(shù)， 無論 多先進(jìn)，都難以立刻變成先進(jìn)的產(chǎn)品。關(guān)于這一點(diǎn)，中國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè) 中航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀就是對(duì)科學(xué)與技術(shù)工藝關(guān)系最生動(dòng) 的注腳。電化學(xué)傳感器的未來：明確的方向是電解液室溫固態(tài)化并以此為 基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn) MEMS 化。實(shí)現(xiàn)固態(tài)化和 MEMS 化的電化學(xué)傳感器不僅能 夠克服包括制造在內(nèi)的大部分問題， 而且可以激發(fā)新的應(yīng)用， 為企業(yè) 帶來新的增長(zhǎng)。此時(shí)的電化學(xué)傳感器將是高度一體化的，易集成的、 小巧的電子系統(tǒng)。 但是， 這樣的結(jié)果仍然不能克服高

25、濃度或被測(cè)氣體 長(zhǎng)期與傳感器接觸導(dǎo)致的傳感器性能變化。PID:即光離子化檢測(cè)器。原理簡(jiǎn)述 :由紫外光源和氣室構(gòu)成。紫外發(fā)光原理與日光燈管相 同，只是頻率高，能量大。被測(cè)氣體到達(dá)氣室后，被紫外燈發(fā)射的紫 外光電離產(chǎn)生電荷流， 氣體濃度和電荷流的大小正相關(guān)， 測(cè)量電荷流 即可測(cè)得氣體濃度。特殊氣體 :物理形態(tài)多變、化學(xué)過程及反應(yīng)生成物復(fù)雜多樣。包括無 機(jī)氣體如氨氣。有機(jī)氣體如甲苯等。前面介紹的各種氣體傳感器，對(duì)復(fù)雜氣體的檢測(cè)面臨巨大挑戰(zhàn)。 如 :對(duì)有機(jī)蒸氣的檢測(cè)，紅外吸收原理面臨著很難克服的困難 :a 有機(jī) 蒸氣由于分子量大的緣故， 特征吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)， 紅外吸收后能量變化 小，通常靈敏度會(huì)很低。

26、b、長(zhǎng)分子鏈的有機(jī)蒸氣易吸附，會(huì)粘附在 探測(cè)器上，破壞光傳輸。 c、不能實(shí)現(xiàn)對(duì) voc 總量的檢測(cè)。紅外系統(tǒng) 若實(shí)現(xiàn)總量評(píng)價(jià)， 則需要全光譜響應(yīng)的濾光片、 探測(cè)器和全光譜紅外 光源，這樣的要求不僅難實(shí)現(xiàn)，即使實(shí)現(xiàn)，在全光譜范圍內(nèi)，無機(jī)氣 體、水的干擾將順理成章。 而化學(xué)傳感器中半導(dǎo)體易被無機(jī)氣體、 溫、 濕度干擾，漂移，濃度分辯率低，雖然其檢測(cè)范圍寬、覆蓋氣體種類 多，但仍僅適合在低端應(yīng)用。在這樣的背景下，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) voc 檢測(cè) 時(shí) PlD是較好的選擇。相對(duì)其它傳感器 plD 最大的特點(diǎn)是只對(duì)很少的 無機(jī)氣體，如氨氣、磷化氫等敏感。原因在于大部分的無機(jī)氣體有很 高的電離能 （大于 11.7e

27、v）。目前 plD 燈最高紫外幅射能量?jī)H為 11.7ev。 因此，在石油化工園區(qū)， PiD的響應(yīng)可以認(rèn)為是 voc 的響應(yīng)。PID 工作原理祥述 :1、在真空玻璃腔內(nèi)充入高純度稀有氣體如氬 氣、氪氣。 2、用紫外透光片氟化鎂單晶將玻璃腔體密封，在此氟化 鎂晶體對(duì)紫外光透明。 3、在玻璃腔外壁套上電極。 4、在氟化鎂窗口 加上電極和電場(chǎng)， 做為被測(cè)氣體氣室， 這就是一個(gè)完整的可電離 VOC 的紫外燈。 工作時(shí)在玻璃腔外加上高頻電場(chǎng)， 紫外燈內(nèi)的稀有氣體被 外加電場(chǎng)電離出電子和離子， 電子和離子復(fù)合時(shí)紫外光的形式向外幅 射能量。 紫外光穿過氟化鎂窗口到達(dá)氣室， 氣室內(nèi)被測(cè)氣體被紫外光 電離產(chǎn)生電子

28、和離子，電荷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電流，就可以測(cè)到了。我們大概不難想到， PlD穩(wěn)定工作需要 :1、PID必須幅射足夠的能 量才能電離被測(cè)氣體； 2、產(chǎn)生紫外光的高頻電場(chǎng)必須是穩(wěn)定的。 3、 玻璃腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體， 雜質(zhì)氣體會(huì)導(dǎo)致附加電離， 影響紫外發(fā) 光效率。 4、紫外光譜是穩(wěn)定、均勻的。 5、紫外光到達(dá)氣室的傳輸是 穩(wěn)定、均勻并不與構(gòu)成氣室的金屬電極材料相互作用而產(chǎn)生重金屬沉 積，重金屬在紫外幅射窗口沉積會(huì)阻擋紫外到達(dá)氣室。這就要求 :紫外燈充入的發(fā)光物質(zhì)必須是氣體才能均勻發(fā)光并 傳輸。腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體，以防止附加電離等。這些要求決定了 發(fā)光氣體的選擇只能是稀有氣體。 窗口材料則必須對(duì)紫

29、外透明并具有 穩(wěn)定的理化性質(zhì)， 事實(shí)上紫外窗口材料的選擇是極其有限的。 這些限 至條件最終也決定了 PID應(yīng)用的局限性。為什么目前的 PID不能測(cè)丙烷、乙烷、甲烷和大部分無機(jī)物 : PID 的本質(zhì)是使被測(cè)物質(zhì)電離后測(cè)電荷流，電離需要能量。目前的 PID 紫 外幅射能量最常見的是 8.3ev、9.8ev、10.6ev。而電離甲烷需要的能 量為 12.6ev，乙烷為 11.56ev、丙烷為 10.95ev、二氧化碳為 13ev 等。 事實(shí)上，人們很想開發(fā)出能量更高的 PID，但限至條件在于稀有氣體 的種類極其有限，紫外波長(zhǎng) (能量 )是由稀有氣體本身的電子能級(jí)決定 的，人類無法改變； 另一個(gè)限至條

30、件是特定波長(zhǎng)的紫外光透光窗口材 料，能透什么樣波長(zhǎng)的紫外光取決于窗口材料的晶格常數(shù)， 在目前的 材料體系中選擇也極有限。人們雖然開發(fā)出 11.7ev 的發(fā)光體，但適 合的窗口材料只有氟化鋰 (LiF)，而氟化鋰極易吸水，導(dǎo)致 11.7ev 的 PID壽命只有兩個(gè)月。即目前的紫外燈由于輸出能量的限制，仍不能 檢測(cè)甲烷等有較高電離能的物質(zhì)。PID 為什么沒有選擇性 ?如果我們選擇的 PID 的紫外幅射能量是 10.6ev，就意味著被測(cè)環(huán)境中電離能小于 10.6ev 的所有氣體分子都會(huì) 被電離， 我們測(cè)到的電荷流是所有被電離氣體的電荷流的和， 而不是 某種氣體的電荷流。 PID 無選擇性是由此決定的

31、。PID在工作時(shí)，氣室內(nèi)被電離的物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)復(fù)合還原，長(zhǎng)鏈分 子、灰塵等會(huì)沉積在窗口表面，除此，傳感器工作時(shí)產(chǎn)生的離子流轟 擊氣室電極也會(huì)使重金屬沉積在窗口表面，這顯然會(huì)影響紫外光透 過，而導(dǎo)致零點(diǎn)漂移、靈敏度降低，影響檢測(cè)結(jié)果。實(shí)際上除了 PiD 燈的制備技術(shù)、氣室設(shè)計(jì)， PID 燈紫外透過窗口的清洗技術(shù)也是核心 技術(shù)之一。PID的未來 :1、PiD作為理想的非放射性離子源會(huì)永遠(yuǎn)存在。 2、 提高 PID燈內(nèi)充氣前的真空度以及填充氣體純度以提高發(fā)光效率和發(fā) 光穩(wěn)定性； 3、開發(fā)新的窗口材料及加工精度以改善透光率、出射光 均勻性、封裝質(zhì)量、以及穩(wěn)定性和壽命。 4、預(yù)防色散導(dǎo)致窗口的重 金屬沉積

32、，延長(zhǎng)壽命 5、防止大分子有機(jī)物、小顆粒物沉積的窗口清 潔技術(shù)； 6、輸出能量更高的長(zhǎng)壽命 PID 燈的開發(fā)； 7、小體積。氣體傳感器和其它傳感器一樣門類眾多。 除了上述五大類外還有 熱傳導(dǎo)式氣體傳感器 :本質(zhì)上是溫度傳感器，也主要由鉑線圈構(gòu)成， 只是包裹材料為化學(xué)墮性的玻璃體， 將其保持一定溫度， 忽略其它因 素，當(dāng)空氣成份穩(wěn)定時(shí)，空氣的熱傳導(dǎo)率是穩(wěn)定的，傳感器熱平衡后 溫度是恒定的。由于不同的物質(zhì)有不同的熱傳導(dǎo)率， 當(dāng)有被測(cè)氣體時(shí)， 傳感器的熱平衡被打破，溫度變化，導(dǎo)致電阻變化。這個(gè)電阻變化和 氣體濃度正相關(guān)。和催化元件的區(qū)別，熱傳導(dǎo)是純粹的物理過程。其原理的氣體傳感器它略去。以上個(gè)世紀(jì)

33、50 年代為界，科學(xué)大發(fā)現(xiàn)已告一段落，從那時(shí)起， 人們幾乎沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生重要學(xué)科的科學(xué)原理， 也沒有產(chǎn)生可以和愛因 斯坦、玻爾、費(fèi)米、普朗特、居里夫婦相比肩的偉大科學(xué)家，那個(gè)時(shí) 代是科學(xué)史上巨匠輩出、 群星璀璨的時(shí)代。 我們現(xiàn)在使用的傳感器其 工作原理大都是那個(gè)年代發(fā)現(xiàn)的。通過上面的內(nèi)容 :我們至少可以判 斷常見的不同原理的氣體傳感器如 :半導(dǎo)體、催化、電化學(xué)、紅外、 PID、表面聲波、 QCM（石英微天平 ）等并無先進(jìn)落后之分。 熟知的典型 例子是 PID，它擅長(zhǎng)測(cè)試有機(jī)蒸氣，卻測(cè)不了甲烷，因?yàn)?PID 的紫外 幅射能量要低于 cH4分子的電離能， 而沒有能力解理甲烷分子。 但紅 外氣體傳感器

34、卻表現(xiàn)優(yōu)異，因此 PID一點(diǎn)兒也不比紅外先進(jìn)。只是在 有機(jī)蒸氣測(cè)試領(lǐng)域 PID是最佳選擇。 因此不同原理的傳感器之間的完 全替代的說法是很荒謬的。如 :紅外氣體傳感器替代催化元件，催化元件替代半導(dǎo)體氣體傳感器等。這種想法產(chǎn)生的根源在于:對(duì)于發(fā)展成熟的產(chǎn)品，人們通常會(huì)賦予超出其能力的任務(wù)。如 :對(duì)化學(xué)傳感器 來說檢測(cè)諸如 NH3、乙炔等反應(yīng)過程、 產(chǎn)物復(fù)雜的氣體， 從原理講不 可能測(cè)得好， 又因?yàn)楦鞣N原因又不得不用， 直至另一種原理的傳感器 來讓其解脫。在這種背景下， 一個(gè)先進(jìn)與否的傳感器應(yīng)更多的從工藝 技術(shù)角度去判斷， 新的工藝技術(shù)導(dǎo)致的直接結(jié)果是制造過程的可控與 高效，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性、

35、 一致性的大幅度提高以及成本的降低； 而且可以激發(fā)新的應(yīng)用，為企業(yè)帶來新的增長(zhǎng)。典型比對(duì) :平面厚膜 Vs 管式厚膜半導(dǎo)體氣體傳感器；集成式紅外 （你曾提供的俄羅斯的產(chǎn) 品 ）Vs分立器件組合式紅外氣體傳感器 （煒盛、四方、 city 等），激光紅 外氣體傳感器 vs 分立器件組合式紅外氣體傳感器， MEMS 半導(dǎo)體氣 體傳感器 Vs 平面厚膜半導(dǎo)體氣體傳感器，固態(tài)電化學(xué) （solid 產(chǎn)品 ）電 解質(zhì)氣體傳感器 vs 液態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)氣體傳感器等。需要注意的是 新的工藝技術(shù)要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間才能成熟， 成熟之前其性能很難與傳統(tǒng) 工藝相匹敵，但這并不能否定其先進(jìn)性。如果以催化元件為起點(diǎn)，目前眾多門

36、類的氣體傳感器的誕生在 于兩方面的驅(qū)動(dòng)。一是我們除了測(cè)瓦斯，還需要測(cè)別的氣體如co、H2S等，而催化元件無此能力， 人們只有開發(fā)能勝任新任務(wù)的傳感器， 并且希望新開發(fā)的傳感器是一種多任務(wù)傳感器以替代催化元件， 但一 直沒有成功。電化學(xué)傳感器就是這么誕生的，顯然，我們不能說電化 學(xué)比催化先進(jìn)或反之。 另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力是基于催化元件在測(cè)量瓦斯時(shí)有 很惱人的問題如中毒導(dǎo)致壽命短、 結(jié)構(gòu)漂移導(dǎo)致測(cè)量誤差大到難以預(yù) 防瓦斯爆炸等。 解決問題的路徑兩條， 其中一條就是開發(fā)另一種原理 的傳感器；另一條是改善催化元件。第一條導(dǎo)致了半導(dǎo)體、小型紅外 傳感器的誕生。 但是到目前為止半導(dǎo)體在井下已徹底失敗， 紅外除了

37、在井下特定性區(qū)域獲得小范圍商業(yè)應(yīng)用外， 也沒有成功。 另一條通過 化學(xué)、物理、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行的持續(xù)改善的努力取得的進(jìn)展使催化元 件繼續(xù)保持強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)能力。在此，我們?nèi)匀徊荒苷f紅外是先進(jìn)的， 催化是落后的。但是紅外在很多其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用也充分證明了其 價(jià)值。這里面隱含了一個(gè)重要的理念 :適合的就是最好的，適合不適 合一要看對(duì)傳感器應(yīng)用對(duì)象、 領(lǐng)域的準(zhǔn)確定義， 二要看傳感器對(duì)其擅 長(zhǎng)的檢測(cè)任務(wù)的勝任能力，三是要看經(jīng)濟(jì)性。什么是先進(jìn)傳感器技術(shù)， 這個(gè)問題有點(diǎn)復(fù)雜。 需要從兩方面看即 從科學(xué)原理和從技術(shù)路線看。以煤礦用催化瓦斯傳感器為例:最早的瓦斯傳感器是瓦斯燈， 就是在礦下點(diǎn)燃油燈， 瓦斯?jié)舛鹊淖?/p>

38、化可以使 燈焰的高度發(fā)生變化， 這應(yīng)該是歷史上最早的氣體傳感器， 也用了很 多年。他最大的問題首先是靈敏度低如 :1%濃度和 5%濃度沒什么差 別；其次是信號(hào)傳輸即粉塵、距離可能導(dǎo)致看不清；再次難隔爆。最 終的結(jié)果是預(yù)防事故發(fā)生的效果不好。 具有現(xiàn)代意義的氣體傳感器是 由美國(guó)人在 1943 年發(fā)明的，即催化元件的原生版鉑絲線圈。首先這 個(gè)傳感器科學(xué)原理先進(jìn)， 這個(gè)科學(xué)原理使傳感器可以把氣體信號(hào)延伸 變成可讀數(shù)的電信號(hào)、 可傳播的聲信號(hào)乃至光信號(hào)。 其次工藝技術(shù)路 線先進(jìn)，即能夠使用工業(yè)化的手段讓產(chǎn)品易于大規(guī)模制造并更容易對(duì) 制造過程進(jìn)行管控使產(chǎn)品更以大規(guī)模制造， 性能也更可靠。 現(xiàn)在的催 化元

39、件是在此基礎(chǔ)上加上催化載體并不斷進(jìn)化的結(jié)果， 在以后幾十年 的演變中催化元件只是通過優(yōu)化技術(shù)路線逐步進(jìn)化改進(jìn) （沒有巔覆 ）， 改善穩(wěn)定性、提高靈敏度、降低功耗、延長(zhǎng)壽命等。即目前使用的催 化元件與當(dāng)初的 Pt 線圈相比技術(shù)路線先進(jìn)多了。氣體傳感器為什么會(huì)有這么多門類 ?通俗講 :要測(cè)的氣體總類太多， 應(yīng)用環(huán)境要求多樣， 任何一類傳感器其擅長(zhǎng)的檢測(cè)對(duì)象都很有限， 也 算是傳感器之術(shù)業(yè)有專攻。 不同種類的傳感器相互之間應(yīng)用上雖然會(huì) 有交叉，但在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，卻很難相互取代。如催化及紅外元件 做不到比半導(dǎo)體更耐用、廉價(jià)和方便，因此在家報(bào)領(lǐng)域，催化和紅外 取代半導(dǎo)體是極難的。 紅外做不到比催化更廉

40、價(jià)和方便， 因此在中低 端工報(bào)領(lǐng)域紅外取代催化是極難的。 而在室溫二氧化碳檢測(cè)方面， 紅 外幾乎是唯一選擇，等等。小結(jié)：PID、紅外氣體傳感器、化學(xué)類氣體傳感器 :PID傳感過程 :物理方法即紫外線照射氣體， 化學(xué)變化即紫外線把 氣體分子如甲苯打開變成碳 -氫離子，電荷在電場(chǎng)作用下移動(dòng)形成離 子電流，測(cè)電流即可，之后離子復(fù)合還原。紅外氣體傳感器 :紅外線照射氣體，被氣體吸收紅外能量，紅外 光強(qiáng)變小，測(cè)紅外光的變化可。其中，氣體吸收紅外后，只是氣體分 子振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度變化了。就象拍藍(lán)球，加力使球彈得更高，但球還 是那個(gè)球。化學(xué)類氣體傳感器 :電化學(xué) CO為例: CO和水中的氧在傳感器電極 上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， CO 變成了二氧化碳，過程中有電子從 CO 中之 C 上流出到達(dá)對(duì)電極， 由對(duì)電極上的氧氣獲得， 對(duì)由此產(chǎn)生的電流或電 壓進(jìn)行測(cè)量即可測(cè)到 CO。此時(shí) CO變成了二氧化碳。從傳感器到儀表 :傳感器是基礎(chǔ)的核心部件，傳感器的基礎(chǔ)是功 能材料及相關(guān)材料。 傳感器的進(jìn)化有兩個(gè)路經(jīng)牽引， 其一是儀表牽引， 即設(shè)計(jì)一款儀表時(shí)尋找匹配的傳感器， 如果沒有現(xiàn)成的， 如果這個(gè)需 求有國(guó)防安全、民生價(jià)值， 人們就會(huì)配置資源開發(fā)。