4.1認識氣體傳感器4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類4.1.2氣體傳感器的主要參數(shù)4.1認識氣體傳感器

1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)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)，自此以后氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等。4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類

氣體傳感器（GasSensor）是以氣敏器件為核心，利用各種化學、物理效應(yīng)將氣體成分、濃度按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。因氣體種類繁多，性質(zhì)各異，氣體傳感器種類也很多，其主要有半導(dǎo)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(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。如圖為幾種常用的氣體傳感器。1．半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做成的元件，與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運動為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化，分為電阻式和非電阻式兩種。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜（例如：SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，TiO2等）制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場效應(yīng)管式（MOSFET）半導(dǎo)體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測氫和天然氣等可燃性氣體。4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類2．電化學型氣體傳感器電化學式氣體傳感器主要利用兩個電極之間的化學電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極，其主要的優(yōu)點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好；分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。Cl2、CO、SO2、NH3化學式氣體傳感器4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類2．電化學型氣體傳感器電化學型氣體傳感器的四種類型：原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分數(shù)?？捎糜谘鯕?、酸性氣體和毒性氣體的檢測?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魍ㄟ^測量電解時流過的電流來檢測氣體的體積分數(shù)。和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分數(shù)。電量式氣體傳感器通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分數(shù)。離子電極式氣體傳感器通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分數(shù)。4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類3．接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器有時稱之為熱導(dǎo)性傳感器，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。該傳感器在常溫環(huán)境溫度穩(wěn)定好，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測。接觸燃燒式氣體傳感器4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類3．接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式。其工作原理是氣敏材料（如Pt電熱絲等）在通電狀態(tài)下，可燃性氣體（H2、CO、CH4等）與空氣中的氧在Pt電熱絲上產(chǎn)生無焰接觸燃燒，使得作為敏感材料的鉑電熱絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大，從而轉(zhuǎn)換成輸出電信號的變化。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高（低于10％），可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度越大，燃燒產(chǎn)生的熱量越多，鉑電熱絲的溫度越高，其電阻值增加的就越多。為了提高鉑電熱絲的使用壽命，實際應(yīng)用的檢測元件是在鉑電熱絲上涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應(yīng)特性。4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類4．光學式氣體傳感器光學式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學材料型等，主要以紅外吸收型氣體分析儀為主。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（Lambert－Beer）吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度。其主要優(yōu)點是靈敏度高、可靠性好。紅外甲烷傳感器4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類5．高分子氣體傳感器近年來，國外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特點，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。高分子氣體傳感器根據(jù)氣敏特性主要可分為：高分子電阻式氣體傳感器、濃差電池式氣體傳感器、面波(SAW)式氣體傳感器、振子式氣體傳感器等。高分子氣體傳感器，對特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，可在常溫下使用，補充其他氣體傳感器的不足，發(fā)展前景良好。4.1.1氣體傳感器的工作原理及分類4.1.2氣體傳感器的主要參數(shù)1.氣體傳感器的基本要求氣體傳感器是暴露在檢測現(xiàn)場使用的，通常工作條件比較惡劣，溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)生化學反應(yīng)物，附著在元件表面，這往往會使其性能變差，基于這些原因，氣敏傳感器必須滿足下列基本要求：對被測氣體具有較高的靈敏度；對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；性能穩(wěn)定，重復(fù)性好；動態(tài)特性好，對檢測信號響應(yīng)迅速；使用壽命長；制造成本低，使用與維護方便等4.1.2氣體傳感器的主要參數(shù)2．氣體傳感器的主要參數(shù)氣體傳感器的主要參數(shù)有：靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和抗腐蝕性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優(yōu)。氣體傳感器的主要參數(shù)說明如下：1）靈敏度靈敏度是指對氣體的敏感程度。對有毒、有害、燃爆危險氣體的檢測時，靈敏度是氣體傳感器極其重要的選擇指標，要求能夠檢測出微量的成分。例如，在天然氣管道安全檢測中，輕微的泄漏隱患會引發(fā)重大事故。4.1.2氣體傳感器的主要參數(shù)2．氣體傳感器的主要參數(shù)2）選擇性選擇性是指在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分被測氣體的能力，也可稱為交叉靈敏度。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。3）穩(wěn)定性當被測氣體濃度不變時，若其他條件發(fā)生改變，在規(guī)定的時間內(nèi)氣敏元件輸出特性保持不變的能力，這取決于零點漂移和區(qū)間漂移。理想情況下，一個傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點漂移應(yīng)小于10%。4.1.2氣體傳感器的主要參數(shù)2．氣體傳感器的主要參數(shù)4）抗腐蝕性抗腐蝕性是指傳感器暴露于各種高濃度氣體中正常工作的能力。在氣體大量泄漏時，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分數(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。拓展提高:

呼吸式酒精檢測儀隨著人們生活水平的提高，汽車駕駛已經(jīng)成為一種常態(tài)。在安全駕駛方面潛在的危險是飲酒駕駛和醉酒駕駛，因此需對的飲酒狀態(tài)進行測試，由此研制出了多種便攜式呼吸式酒精檢測儀。

半導(dǎo)體酒精氣體傳感器韓國CA2000型呼吸式酒精檢測儀駕駛員自測拓展提高:

呼吸式酒精檢測儀利用半導(dǎo)體酒精氣體傳感器對酒精具有高的靈敏度和快速響應(yīng)的特點，韓國研制出了CA2000型呼吸式酒精檢測儀，它可以準確探測氣體酒精含量，且不受煙味、可樂、咖啡等非酒精類氣體的干擾。其核心部件采用新型高科技微變氧化物半導(dǎo)體，當具有N