氣體傳感器的介紹與應用

1、氣體傳感器的介紹與應用1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應研制出了第一個氣敏傳感器，1982年英國Warwick大學的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等?，F(xiàn)在各國研究主要針對的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時間以及降低成本和智能化等。下面簡單介紹各種常用的氣體傳感器的工作原理和一些常用氣體傳感器的最新的研究進展。氣體傳感器主要有半導體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電

2、化學式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導型、聲表面波型、氣體色譜法等。電阻式半導體氣敏元件是根據(jù)半導體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導體氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應使其某些特性發(fā)生變化對氣體進行直接或間接的檢測。接觸燃燒式氣體傳感器是基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導隨之變化的原理而設(shè)計的。另外與半導體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導致電容變化的原理而設(shè)計。電化學式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的

3、化學電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。電化學式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關(guān)系進行測量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。紅外吸收型傳感器，當紅外光通過待測氣體時， 這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收， 其吸收關(guān)系服從朗伯比爾(LambertBeer)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度。聲表面波傳感器的關(guān)鍵是SAW(surface acoustic wav

4、e)振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩器。SAW傳感器自身固有一個振蕩頻率，當外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。CO傳感器和最新敏感材料對CO氣體檢測的適用方法有比色法、半導體法、紅外吸收探測法、電化學氣體傳感器檢測法等。比色法是根據(jù)CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應，因而使化合物顏色改變，通過顏色變化來測定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點是沒有電功耗。半導體CO傳感器，通過溶膠凝膠法獲得基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來測定氣體5。現(xiàn)國外有研究對基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發(fā)現(xiàn)當傳感器工作在220時，

5、在中摻雜2的Pt時，傳感器對CO具有最大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應，使得CO傳感器對很多氣體如、等都有感應，但是采用上面的方法使得對其他氣體的敏感度下降很多。CO電化學氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過渡金屬元素，這類元素具有空余的d、f電子軌道和多余的d、f電子，可在氧化還原的過程中提供電子空位或電子，也可以形成絡合物，具有較強的催化能力。又研制了一種新型的CO電化學式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極， Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳

6、感器，對CO具有顯著的電化學催化效應，其響應時間短，重復性好。利用CO氣體近紅外吸收機理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣體傳感器，該儀器檢測靈敏度可達到。另一種光學型傳感器是用溶膠凝膠鹽酸催化法和超聲制得薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與CO反應，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化。TP-2 常溫型低功耗一氧化碳傳感器由 多晶體及適當添加混合劑燒結(jié)而成。具有微珠式結(jié)構(gòu)，電壓振蕩響應，唯一的選擇性和良好的環(huán)境適應能力，抗干擾能力強, 不需溫濕度補償,應用電路簡單，本質(zhì)安全等特點。簡單應用電路如圖1圖1圖2輸出特性150ppm 一氧化炭氣體環(huán)境中傳感器輸出電壓 Vs 波形 圖3圖3表示在不同一氧化碳濃度的條件下傳感器輸出電壓 Vs 波形。 在 0800ppm 的范圍內(nèi)，此元件的線性度可以從振幅和振蕩的頻率來判斷，一氧化碳的濃度可用曲線下面的面積積分求得，更高的濃度