氣體傳感器基礎(chǔ)知識

1、氣體傳感器基本知識傳感器是對信息有感受的器件。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，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量氣體成分和濃度的化學(xué)量傳感器。氣體傳感器按氣體與傳感器的

2、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?；瘜W(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等；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)體氣體傳感器： 原理:在一定的溫度條件下，被測氣體到達(dá)半導(dǎo)體敏

3、感材料表面時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氣體濃度呈指數(shù)關(guān)系，通過測量電阻的變化即可測得氣體濃度。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)境中可以實現(xiàn)對氣體的有限識別。大規(guī)模半導(dǎo)體氣體傳感器陣列可以實現(xiàn)對未知環(huán)境中氣體種類的精確識別。 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、

4、易獲得，b、在較低溫度下對氧氣和目標(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、初始穩(wěn)定時間以及響應(yīng)時間;脫附-恢復(fù)時間。半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點：廉價、耐用、設(shè)計及制造過程簡單。半導(dǎo)體傳感器的弱點:功耗大、漂移

5、、線性差。無論其優(yōu)點還是弱點均與上述對應(yīng)關(guān)系相關(guān)。如漂移:傳感器會吸附氧氣，當(dāng)氧氣濃度變化時(如雨天，氧濃度變小)，吸附量會變化，零點必會漂啊漂?？傊雽?dǎo)體傳感器的優(yōu)缺點首先是由其工作原理決定的，是先天的。后天的設(shè)計、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)成的分子會有獨(dú)特的振動、轉(zhuǎn)動頻率，當(dāng)其受到相同頻率的紅外線照射時,就會發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強(qiáng)的變化，通過測量紅外線強(qiáng)度的變化就可以測得氣體濃度；需要說明的是振動、轉(zhuǎn)動是兩種不同的運(yùn)動形態(tài)，這兩種運(yùn)動形態(tài)會對應(yīng)不同的紅外吸收峰，振動和轉(zhuǎn)動本身也有多樣性；因此一般情況下一種氣體分子會有多個紅外吸收峰；根據(jù)單一的紅外吸

6、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攝氏度即絕對零度以上的一切物質(zhì)都會產(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由一對紅外探測器構(gòu)成。 一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成。 為什么紅外氣體傳感器不能測量氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔上嗤訕?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

7、想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地球軌道將是圓的，實際上上面兩個條件都不成立，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半徑之間轉(zhuǎn)換，即振動，只是振動周期長達(dá)一年，在這個過程中，地球處于短半徑點和長半徑點時，它和太陽之間的引力是不同的，即能量級別不同。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，即振動、轉(zhuǎn)動，而且不同的分子會有獨(dú)特的振動、轉(zhuǎn)動頻率,當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時會產(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基本條件:諧振、偶極距變

8、化。這兩個條件同時滿足才能產(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:兩個基本條件一是氣體分子振動頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個條件容易滿足，第二個條件無可能性。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量密度特征，其照射不會改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會導(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。這是因為氧吸引電子的能力比氫

9、強(qiáng)的緣故。在與水分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相同的紅外線照射時，會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會從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的?？梢赃@樣去簡單理解:紅外線與相同原子組成的分子相遇時，由于相同原子組成的分子是理想的彈性球體，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相同原子構(gòu)成的分子。紅外吸收原理只能測不同原子構(gòu)成的分子。由于同一分子內(nèi)部運(yùn)動的多樣性使其具多種不同的振動頻率和轉(zhuǎn)動頻率，因此，對紅外吸收的分子會有多個吸收峰；另外

10、，具有相同化學(xué)鍵的分子(如水和酒精分子中的氫氧鍵)會有相近的吸收峰，干擾由此產(chǎn)生。非色散紅外吸收氣體傳感器:非色散:白光通過三棱鏡會被分為七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。這個三棱鏡就是一個分光系統(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),無分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即非色散性。非色散系統(tǒng)簡易、可靠、小巧、廉價。平時我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長混合成的光；而單頻率、單波長的光即單色光。前面講到只有紅外線的頻率和氣體分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相同時才會產(chǎn)生紅外吸收，理論上在設(shè)計氣體傳感器時，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

11、外氣體傳感器通常由光源、光學(xué)腔體、濾光片(光柵)、探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成，在傳感器中濾光片和探測器是一體的。紅外氣體傳感器優(yōu)點:1、除了相同原子組成的氣體，所有氣體都可以測。2、全量程。3、傳感過程本身不會干擾傳感。缺點:1、昂貴。紅外氣體傳感器本質(zhì)上是紅外幅射導(dǎo)致探測器溫度變化進(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)致價格昂貴。2、在普通的以寬頻紅外光源加濾光片加探測器設(shè)計中，濾光片本身不能實現(xiàn)理想的選擇性濾光，因此干擾尤其是水的干

12、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)換的檢測對象都會對檢測結(jié)果造成影響。近紅外:波長0.7um2.0um；中紅外:波長2.0um15um。氣體吸收峰:每一種氣體的吸收峰不止一個如: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、轉(zhuǎn)動的多樣性導(dǎo)致其有多個吸收峰；含有相同化學(xué)鍵的分子會有相近的吸收峰。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、

13、低功耗。目前最大的問題:近紅外區(qū)只有個別波長有較廉價的激光器做單色光，而且在近紅外區(qū)氣體吸收較弱。在氣體對紅外的強(qiáng)吸收區(qū)中紅外區(qū)，激光器制造工藝復(fù)雜，激光材料、理論及器件未有商業(yè)價值突破，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會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)

14、致鉑線圈電阻發(fā)生變化，測量電阻變化就可以測到氣體濃度。因此與其說催化元件是氣體傳感器不如說他是個溫度傳感器，為克服環(huán)境溫度變化帶來的干擾，催化元件會成對構(gòu)成一支完整的元件，這一對中一個對氣體有反應(yīng)，另一個對氣體無反應(yīng)，而只對環(huán)境溫度有反應(yīng)，這樣兩支元件相互對沖就可以消除環(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在開發(fā)、應(yīng)用時引導(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)的溫度場的分布與變化、溫度場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

15、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、對長分子鏈的有機(jī)物以及不飽和烴，對半導(dǎo)體來說，不完全反應(yīng)導(dǎo)致的積炭只會對反應(yīng)過程產(chǎn)生影響，而不會對電子傳輸產(chǎn)生大的影響，而對催化來講，炭的存在不僅影響反應(yīng)過程，更會對熱傳遞產(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

16、，同樣的氣體濃度，釋放同樣的熱，由于炭的存在，導(dǎo)致傳感器:溫度只有很小的變化，即靈敏度變得很低。2、因為需要熱傳遞，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的催化劑以及納米級的孔，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，兩個因素任一發(fā)生變化，就會導(dǎo)致傳感器線性變化。實際上，鉑線圈會持續(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)，解決的

17、問題是震動引起的漂移。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、制造過程對設(shè)計實現(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)不僅會改善元件的綜合性能，也會引發(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)用定位會更精準(zhǔn)專一。7，催化元件不會被淘汰。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)換為電信息的壓力傳感器等。本質(zhì)上傳感器是

18、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，插入兩個不同材料的電極，用導(dǎo)線連接就會有電產(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)會產(chǎn)生電，把氧化鉛放進(jìn)去，界面也會有電，兩個界面電量有差異，即有電壓，用導(dǎo)線連起來電子就會從鉛流到氧化鉛，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:一是把一個導(dǎo)體插入導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)中界面會產(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

19、同的電位相連接，在界面會發(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)電過程由電子移動和離子移動共同完成。為什么產(chǎn)品設(shè)計要追求極簡?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)線把兩個電極連起來，電子就會從鉛通過導(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氣體傳感器是一個化學(xué)電池即CO燃料電池。其中: CO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

20、，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。實踐中這個條件由多孔鉑電極（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，作為對電極的氧氣電極亦需要有多孔鉑電極協(xié)助獲得電子。鉑電極實際上是反應(yīng)平臺。電化學(xué)傳感器傳感原理雖然簡單，但是實現(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)

21、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期浸泡、電化學(xué)反應(yīng)沖擊、電泳驅(qū)動下保持穩(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。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

22、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，長期接觸被測氣體導(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、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)計最終體現(xiàn)在產(chǎn)品上需要在和傳感器場景應(yīng)用互動過程中長時間(數(shù)年)的積累、修正、完善，才能實現(xiàn)該設(shè)計理論框架下的理想產(chǎn)品。一個沒有經(jīng)歷這個過程的技術(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，中國的基礎(chǔ)工業(yè)中航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷

23、史和現(xiàn)狀就是對科學(xué)與技術(shù)工藝關(guān)系最生動的注腳。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)實現(xiàn)MEMS化。實現(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。此時的電化學(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)果仍然不能克服高濃度或被測氣體長期與傳感器接觸導(dǎo)致的傳感器性能變化。PID:即光離子化檢測器。原理簡述: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)，測量電荷流即可測得氣體濃度

24、。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，對復(fù)雜氣體的檢測面臨巨大挑戰(zhàn)。如:對有機(jī)蒸氣的檢測，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，特征吸收波長較長，紅外吸收后能量變化小，通常靈敏度會很低。b、長分子鏈的有機(jī)蒸氣易吸附，會粘附在探測器上，破壞光傳輸。c、不能實現(xiàn)對voc總量的檢測。紅外系統(tǒng)若實現(xiàn)總量評價，則需要全光譜響應(yīng)的濾光片、探測器和全光譜紅外光源，這樣的要求不僅難實現(xiàn)，即使實現(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

25、辯率低，雖然其檢測范圍寬、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voc檢測時PlD是較好的選擇。相對其它傳感器plD最大的特點是只對很少的無機(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11.7ev)。目前plD燈最高紫外幅射能量僅為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，做為被測氣體氣室，這就是一個完整的可電離

26、VOC的紫外燈。工作時在玻璃腔外加上高頻電場，紫外燈內(nèi)的稀有氣體被外加電場電離出電子和離子，電子和離子復(fù)合時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)被測氣體被紫外光電離產(chǎn)生電子和離子，電荷在電場作用下產(chǎn)生電流，就可以測到了。 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氣體；2、產(chǎn)生紫外光的高頻電場必須是穩(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阻擋紫外到達(dá)氣

27、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。窗口材料則必須對紫外透明并具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，事實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不能測丙烷、乙烷、甲烷和大部分無機(jī)物: PID的本質(zhì)是使被測物質(zhì)電離后測電荷流，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。事實上，人們很想開發(fā)出能量更高的P

28、ID，但限至條件在于稀有氣體的種類極其有限，紫外波長(能量)是由稀有氣體本身的電子能級決定的，人類無法改變；另一個限至條件是特定波長的紫外光透光窗口材料，能透什么樣波長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壽命只有兩個月。即目前的紫外燈由于輸出能量的限制，仍不能檢測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，就意味著被測環(huán)境中電離能小于10.6ev的所有氣體分子都會被電離，我們測到的電荷流是所有

29、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。 PID在工作時，氣室內(nèi)被電離的物質(zhì)相遇時會復(fù)合還原，長鏈分子、灰塵等會沉積在窗口表面，除此，傳感器工作時產(chǎn)生的離子流轟擊氣室電極也會使重金屬沉積在窗口表面，這顯然會影響紫外光透過，而導(dǎo)致零點漂移、靈敏度降低，影響檢測結(jié)果。實際上除了PiD燈的制備技術(shù)、氣室設(shè)計，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)

30、定性和壽命。4、預(yù)防色散導(dǎo)致窗口的重金屬沉積，延長壽命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，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)有被測氣體時，傳感器的熱平衡被打破，溫度變化，導(dǎo)致電阻變化。這個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

31、上個世紀(jì)50年代為界，科學(xué)大發(fā)現(xiàn)已告一段落，從那時起，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，那個時代是科學(xué)史上巨匠輩出、群星璀璨的時代。我們現(xiàn)在使用的傳感器其工作原理大都是那個年代發(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，它擅長測試有機(jī)蒸氣，卻測不了甲烷，因為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。但紅外氣體傳感器卻表現(xiàn)優(yōu)異，因此PID一點兒也不比紅外先

32、進(jìn)。只是在有機(jī)蒸氣測試領(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:對于發(fā)展成熟的產(chǎn)品，人們通常會賦予超出其能力的任務(wù)。如:對化學(xué)傳感器來說檢測諸如NH3、乙炔等反應(yīng)過程、產(chǎn)物復(fù)雜的氣體，從原理講不可能測得好，又因為各種原因又不得不用，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、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。典

33、型比對: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)歷很長時間才能成熟，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，目前眾多門類的氣體傳感器的誕生在于兩方面的驅(qū)動。一是我們除了測瓦斯，還需要測別的氣體如co、H2S等，而催化元件無此能力，人們只有開發(fā)能勝任新任

34、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。另一個驅(qū)動力是基于催化元件在測量瓦斯時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)大的競爭能力。在此，我們?nèi)匀徊荒苷f紅

35、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值。這里面隱含了一個重要的理念:適合的就是最好的，適合不適合一要看對傳感器應(yīng)用對象、領(lǐng)域的準(zhǔn)確定義，二要看傳感器對其擅長的檢測任務(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)，這個問題有點復(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，就是在礦下點燃油燈，瓦斯?jié)舛鹊淖兓梢允篃粞娴母叨劝l(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

36、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。首先這個傳感器科學(xué)原理先進(jìn)，這個科學(xué)原理使傳感器可以把氣體信號延伸變成可讀數(shù)的電信號、可傳播的聲信號乃至光信號。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有

37、這么多門類?通俗講:要測的氣體總類太多，應(yīng)用環(huán)境要求多樣，任何一類傳感器其擅長的檢測對象都很有限，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)用上雖然會有交叉，但在各自擅長的領(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、廉價和方便，因此在家報領(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價和方便，因此在中低端工報領(lǐng)域紅外取代催化是極難的。而在室溫二氧化碳檢測方面，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，電荷在電場作用下移動形成離子電

38、流，測電流即可，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，測紅外光的變化可。其中，氣體吸收紅外后，只是氣體分子振動，轉(zhuǎn)動幅度變化了。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)對電極，由對電極上的氧氣獲得，對由此產(chǎn)生的電流或電壓進(jìn)行測量即可測到CO。此時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)化有兩個路經(jīng)牽引，其一是儀表牽引，即設(shè)計一款儀表時尋找匹配的傳感器，如果沒有現(xiàn)成的，如果這個需求有國防安全、民生價值，人們就會配置資源開發(fā)。這條路徑在所有國家的科技規(guī)劃中體現(xiàn)的最