气体传感器原理

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1、气体传感器原理分析气体传感器选择及其分类气体传感器是气体检测系统的核心,通常安装在探测头内;从本质上讲,气体传感器是 一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器;探测头通过气体传感器对气体样品 进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸,甚至对样品进行化学 处理,以便化学传感器进行更快速的测量;气体的采样方法直接影响传感器的响应时间;目前,气体的采样方式主要是通过简单扩 散法,或是将气体吸入检测器;简单扩散是利用气体自然向四处传播的特性;目标气体穿过探 头内的传感器,产生一个正比于气体体积分数的信号;由于扩散过程渐趋减慢,所以扩散法 需要探头的位置非常接近于测量点;扩散

2、法的一个优点是将气体样本直接引入传感器而无 需物理和化学变换;样品吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道;这种技术 可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流,所以在气流大小和流速经常变化的情况下,这 种方法较值得推荐;将测量点的气体样本引到测量探头可能经过一段距离,距离的长短主要 是根据传感器的设计,但采样线较长会加大测量滞后时间,该时间是采样线长度和气体从泄 漏点到传感器之间流动速度的函数;对于某种目标气体和汽化物,如 SiH4 以及大多数生物 溶剂,气体和汽化物样品量可能会因为其吸附作用甚至凝结在采样管壁上而减少;根据测量对象与测量环境确定传感器的类型; 要进行个具体的测量工作,首

3、先要考 虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定;因为,即使是测量同一物 理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的 特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的 要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法,有线或是非接触测量；传感器的 来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制;在考虑上述问题之后就能确定选用何种类 型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标;稳定性：传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性,取决于零点漂移和区间漂移;零 点漂移是指在没有目标气体时,整个工作时间内传感器输出响

4、应的变化;区间漂移是指传感 器连续置于目标气体中的输出响应变化,表现为传感器输出信号在工作时间内的降低;理想 情况下,一个传感器在连续工作条件下,每年零点漂移小于 10%;响应特性 反应时间：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频 率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有定延迟,希望延迟时间越短越 好;传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的 惯性较大,因而频率低的传感器可测信号的频率较低;在动态测量中,应根据信号的特点 稳 态、瞬态、随机等响应特性,以免产生过大的误差;线性范围：传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围;

5、以理论上讲,在此范围内, 灵敏度保持定值;传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度;在选择 传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求;但实际上,任何传感器都 不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的;当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可 将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便;灵敏度的选择通常在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好;因为只有灵 敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理;但要注意的是,传感 器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度;因 此

6、,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的于扰信号;传感器的灵敏度 是有方向性的;当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的 传感器；如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好;气体传感器是化学传感器的一大门类,从工作原理、特性分析到测量技术,从所用材料 到制造工艺,从检测对象到应用领域,都可以构成独立的分类标准,衍生出一个个纷繁庞杂的 分类体系,尤其在分类标准的问题上目前还没有统一,要对其进行严格的系统分类难度颇大;通常以气敏特性来分类,主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、 固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学

7、型气体传感器、高分子气体传感 器等;半导体气体传感器半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件,与气体相互 作用时产生表面吸附或反应,引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变 化;这些都是由材料的半导体性质决定的;自从 1962 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来,半导体气体传感器已经成为当 前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器,根据其气敏机制可以分为电阻式和非电 阻式两种;电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器,是一种用金属氧 化物薄膜例如：Sn02,ZnO Fe203,Ti02等制成的阻抗器件,其电阻随着气体含量不同而变

8、化； 气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化;为了消除气味分子还必须 发生一次氧化反应；传感器内的加热器有助于氧化反应进程；它具有成本低廉、制造简单、灵 敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点；不足之处是必须工作于高 温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高.当探测气 体中混有硫化物时，容易中毒;现在除了传统的SnO,Sn02和Fe203三大类外，又研究开发了一 批新型材料,包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料；这些 新型材料的研究和开发,大大提高了气体传感器的特性和应用范围;另外,通过在半导体内添 加

9、 Pt,Pd,Ir 等贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响应时间;它能降低被测气体的化学吸附 的活化能,因而可以提高其灵敏度和加快反应速度;催化剂不同,导致有利于不同的吸附试样, 从而具有选择性;例如各种贵金属对Sn02基半导体气敏材料掺杂,Pt,Pd,Au提高对CH4的灵 敏度,Ir降低对CH4的灵敏度;Pt,Au提高对H2的灵敏度，而Pd降低对H2的灵敏度;利用薄 膜技术、超粒子薄膜技术制造的金属氧化物气体传感器具有灵敏度高可达10-9 级、一致性 好、小型化、易集成等特点;非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式MOSFET 半导体气体传感器;其电流或电压随着气

10、体含量而变化,主要检测氢和硅烧气等可燃性气体; 其中,MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物VOC与催化金属如钮接触发生反 应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能;通过分析器件性能的变化而识别 VOC;通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度;MOSFET 气体传感器灵敏度高,但制作工艺比较复杂,成本高;电化学型气体传感器电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型; 原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数,市售的检测缺氧的仪器几乎都 配有这种传感器,近年来,又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式

11、传感器;可控电位电 解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数,和原电池式不同的是,需 要由外界施加特定电压，除了能检测CO,NO,N02,02,S02等气体外，还能检测血液中的氧体积 分数;电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数; 离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化 学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好;固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池;20 世纪 70 年代开始,固体电 解质气体传感器由于电导率高、灵敏度和选择性好,获得了迅速的发展,现在几

12、乎应用于环 保、节能、矿业、汽车工业等各个领域,其产量大、应用广,仅次于金属氧化物半导体气体传 感器;近来国外有些学者把固体电解质气体传感器分为下列三类：1 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器 , 例如氧气传感 器等;2 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器 , 例如用于测 量氧气的由固体电解质 SrF2H 和 Pt 电极组成的气体传感器;3 材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定离子都不相 同的传感器,例如新开发高质量的 C02 固体电解质气体传感器是由固体电解质NASICONNa3Zr2Si2P012 和辅助电极

13、材料 Na2CO3-BaC03 或 Li2C03-CaC03,Li2C03- BaC03 组成的;目前新近开发的高质量固体电解质传感器绝大多数属于第三类;又如：用于测量 N02 的 由固体电解质 NaSiCON 和辅助电极 N02- Li2C03 制成的传感器；用于测量 H2S 的由固体 电解质 YST-Au-W03 制成的传感器；用于测量 NH3 的由固体电解质 NH4-Ca203 制成的传 感器；用于测量 N02 的由固体电解质和电极 Ag-Au 制成的传感器等; 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式 ,其工作原理是气敏材料 如 Pt 电热丝等在通

14、电状态下,可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧,电热丝由 于燃烧而生温,从而使其电阻值发生变化;这种传感器对不燃烧气体不敏感,例如在铅丝上涂 敷活性催化剂 Rh 和 Pd 等制成的传感器,具有广谱特性,即能检测各种可燃气体;这种传感器 有时称之为热导性传感器,普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性 气体的监测和报警;该传感器在环境温度下非常稳定 ,并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃 性气体进行检测;气体传感器的研究进展随着人们生活水平的提高和对环保的日益重视,对各种有毒、有害气体的探测,对大气污 染、工业废气的监控以及对食品和人居环境质量的检测都提出了更高的要求,作为感

15、官或信 号输入部分之一的气体传感器是必不可少的;气体传感器能够实时对各种气体进行检测和 分析,具有灵敏度高,响应时间短等优点；加上微电子、微加工技术和自动化、智能化技术的 迅速发展,使得气体传感器体积变小、价格低廉、使用方便,因此它在军事、医学、交通、环 保、质检、防伪、家居等领域得到了广泛的应用;但目前市售的气体传感器仍然存在一些问 题,如选择性和稳定性较差等;气体传感器各项性能指标的进一步提高、新的气敏材料和新型 气体传感器的开发正日益受到重视,世界各国纷纷投巨资进行这一领域的研究;气体传感器的种类很多,分类标准不一,根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相 互作用的机理和效应不同主要可分

16、为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃 烧式气体传感器、光学式气体传感器、石英振子式气体传感器、表面声波气体传感器等形 式;1 半导体气体传感器半导体气体传感器分为金属氧化物半导体气体传感器和有机半导体气体传感器;金属氧化物半导体气体传感器自上世纪60 年代以来,金属氧化物半导体气体传感器就以较高的灵敏度、响应迅速等 优点占据气体传感器的半壁江山;最初的气体传感器主要采用 SnO2、ZnO 为气敏材料,近些 年又研究开发了一些新型材料，除了少量单一金属氧化物材料，如W03、l n2O3、TiO2、AI2O3 等外,开发的热点主要集中在复合金属氧化物和混合物金属氧化物,如表 1 所示;

17、金属氧化物 半导体传感器又可分为电阻式和非电阻式两种;1.1.1 电阻式金属氧化物半导体传感器SnO2、ZnO是电阻式金属氧化物半导体传感器的气敏材料的典型代表,它们兼有吸附 和催化双重效应，属于表面控制型，但该类半导体传感器的使用温度较高，大约200500C; 为了进一步提高它们的灵敏度,降低工作温度，通常向母料中添加一些贵金属如Ag、Au、Pb 等，激活剂及粘接剂AI2O3、Si02、ZrO2等;例如添加1% ZrO2的ZrO2-Sn02气体传感 器对于1x10 5的H2S气体灵敏度与未添加ZrO2的元件相比,灵敏度增加约50倍左 右；在 SnO2 中添加 Pb 能明显提高响应时间;采用粉

18、末溅射技术制备的表面层掺杂 SnO2 /SnO2： Pt双层膜来检测CO的浓度，发现可降低工作温度，在室温至200C温度范围内均显 示出较高的灵敏度;通过添加不同的添加剂还能改善气体传感器的选择性，在ZnO中添加Ag 能提高对可燃性气体的灵敏度，加入V2O5能使其对氟里昂更加敏感，加入Ga2O3能提高对 烷烃的灵敏度；Fe2O3系也属于该类气体传感器,用溶胶凝胶法和化学气相沉积法合成纳米 级的Fe2O3对CH4、H2、C2H5OH有很好的敏感性；向Fe2O3中加入少量的SO42- 及四价金属离子如Sn4+由于抑制其晶粒生长而提高灵敏度;近年来采用薄膜技术和集成电 路技术把加热元件、温度传感器、

19、叉指电极、气体敏感膜集成在硅寸底上制成了比常规的 多晶膜高的多得的气敏元件,并且结构简单、制作方便,可以根据被测气体选择不同的敏感膜, 使得该类传感器成为很有发展前景的新型半导体气体传感器;但气敏元件一般暴露在大气中且加热元件的电压值决定了气敏元件的工作温度,因此如何消除湿度和温度等环境因素 对测量的影响还未得到很好的解决;表 1 近期开发的一些气体传感器敏感材料检测气体 敏感材料CH4 RhSnO2、CeO2SnO2CO Au/Co3O4、CuZnO2H2 Sb2O3SnO2、Bi2O3SnO2CO2 La2O3SnO2、CaOLa2O3、AgCuOBaTiO2、CuBaSnO2、CuSnT

20、iO3NH3 Au/WO3、C2H5OH PdLa2O3SnO2、 PdLa2O3In2O3H2S ZnOSnO2、CuOSnO2、AgSnO2、AuWO3NOX InTiO2、In2O3、CdSnO2、WO3、GaZnO、In,AlSnO2、Cr2O5Nb2O5、 V/InSnO2SO2 LiSO4CaSO4SiO2PH3 ZnO、SnO2、 Sr1-yCayFeO3-xy=,1、Fe2O3 系1.1.2 非电阻式金属氧化物半导体气体传感器非电阻式金属氧化物半导体气体传感器主要包括 MOS 场效应管型气体传感器和二极 管型气体传感器等;氢气敏Pd栅MOSEFT是最早研制成的催化金属栅场效应气

21、体传感器，当氢气与Pd发 生作用时,场效应管的阈值电压将随氢气浓度而变化,以此来检测氢气;这种结构的气体传感 器对氢气的灵敏度可达ppm级，而且选择性非常好，但长期稳定性问题目前尚未得到很好解 决;此外Pd栅MOSFET场效应管型气体传感器还可以检测一些易分解出氢气的气体，如 NH3、H2S等;采用YSZ作MOS场效应晶体管的栅极,Pt作金属栅可制成氧气敏场效应管 型气体传感器;等人用带有KI敏感膜的场效应管气体传感器可以很好的实现03的检测，在 2080ppb浓度范围内有很好的分辨率;将MOSFET的金属栅去掉，采用纳米薄膜作栅制作 了微米尺寸、室温工作的OSFET式气体传感器成功实现了对乙

22、醇气体的检测；晶体管型气体传感器的原理是吸附在金属与半导体界面间的气体使得半导体禁带宽度 或金属的功函数发生变化,通过半导体整流特性的变化来判断其浓度的大小;在掺锢的硫化 镉上蒸发一薄层钯构成钯/硫化镉二极管传感器,可以用来检测氢气;此外钯/氧化钛、钯/氧化 锌、铂/氧化钛也可制成二极管敏感元件用于氢气检测;有机半导体气体传感器有机半导体材料由于其易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉,易与微结构传 感器相结合, 并且可以根据功能需要进行分子设计和合成等诸多优点越来越受到国内外研 究人员的重视;酞菁类聚合物是有机半导体敏感材料的代表,它们所具有的环状结构使得吸附气体分 子与有机半导体之间产

23、生电子授受关系;不同的酞菁聚合物可选择如真空升华技术、LB膜 技术、旋涂技术和自组织膜技术等制膜技术在检测器件上制得薄膜型气敏元件,还可制得传 感器阵列,使其与计算机模式识别技术结合使用;谢丹等人在 MOSFET 基础上,根据电荷流 动电容器原理，以三明治型稀土金属元素镤双酞菁配合物PrPcOC8H1782为气敏材料，取代 中间栅极中的间隙位置，利用LB超分子薄膜技术，将PrPcOC8H1782与十八烷醇OA以1： 3的比例混合而成的LB多层膜拉制在电荷流动场效应管CFT上,形成一种新型的具有CFT 结构的LB膜N02气体传感器，室温下检测N02灵敏度可达5ppm;此外,聚吡咯、蔥、二萘 嵌苯

24、、0胡萝卜素等近年来也被用作有机半导体气敏材料受到人们关注；2 固体电解质气体传感器固体电解质指的是依靠离子或质子来实现传导的一类固态物质;固体电解质气体传感 器的原理是敏感材料在一定气氛中会产生离子,离子的迁移和传导形成电势差,根据电势差 来实现气体浓度大小的测定;由于这种传感器在一定温度下电导率高、灵敏度和选择性好, 所以在冶金石化、能源环保和宇航交通等各领域均得到了广泛的应用;ZrO2 氧传感器是最具有代表性的固体电解质气体传感器;通常用 CaO、 MgO、 Y2O3 稳定的ZrO2做氧离子导体，灵敏度非常高,1000CZr02CaO传感器的测量下限为 1013Pa 氧,响应快,可实现跟

25、踪连续检测;该类传感器的特点是气敏材料中吸附待测气体 派生的离子与电解质中的移动离子相同,原理简单;目前固体电解质气体传感器研究的热点主要集中下面两类：一类是气敏材料吸附待测 气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器；另一类是气敏材料中吸附待测气 体派生的离子与电解质中移动离子以及材料中的固定离子都不相同的传感器;这两类原理 相对复杂,有些原理至今仍未得到合理解释;将用溶胶凝胶法合成的 NASICON 与 BaCO3LiCO3辅助相复合电极做成小型CO2固体电解质气体传感器,发现该器件对CO2 表现出良好的线性敏感特性、快速的响应恢复和较强的抗干扰能力；以 NASICON 为固体 电解

26、质，采用NaNO2为辅助电极构成的传感器,发现对N02和NO的敏感性远优于NaNO2 ； 从 K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、AgSO4 到 NaSiCON、Na-00-AI2O3、Ag-0-AI2O3 都被 用做SO2气体传感器；固体电解质NH -CaCO3、YST-Au-WO3分别被用做NH3与H2S 气体传感器；本实验室采用单晶、多晶、LaF3CaF2制成H2O、H2、SO2固体电解质传 感器,发现灵敏度和选择性都较高;有机固体电解质以易成膜,弹性好,质轻,易形成大面积,且 制备简单和原料易得等优点也引起众多研究者的兴趣;常见的有机固体电解质包括聚乙烯 氧化物PEO、磷酸氢铀酰、

27、Nafion高分子等,它们常被用做H2和水蒸气固体电解质传感器 的氢离子导体质子导电;有机凝胶电解质传感器已用于检测空气中的H2S、PH3等有害气体;3 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器的工作原理是：气敏材料在通电状态下，温度约在300600C, 当可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,燃烧热进一步使电热丝升温,从而使其 电阻值发生变化,测量电阻变化从而测量气体浓度;该种气体传感器的优点是对气体选择性 好,受温度和湿度影响小,响应快,已经被广泛应用在石油化工厂、矿井、浴室和厨房等处;目 前实用化的接触燃烧式气体传感器有规模生产的 H2、LPG、CH4 检测用产品,其次是碳化 氢与

28、有机溶剂蒸气检测用产品;但它们对低浓度可燃性气体灵敏度低,敏感元件受催化剂侵 害较严重;4 光学式气体传感器光学式气体传感器主要以光谱吸收型为主;它的原理是：不同的气体物质由于其分子结 构不同、浓度不同和能量分布的差异而有各自不同的吸收光谱;这就决定了光谱吸收型气体 传感器的选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性;若能测出这种光谱便可对气体进行定 性、定量分析;目前已经开发了流体切换式、流程直接测量式等多种在线红外吸收式气体传 感器;在汽车的尾气中,C0、CO2和烃类物质的浓度，以及工业燃烧锅炉中的有害气体S02、 NO2 都可采用光谱吸收型气体传感器来检测;光学式气体传感器还包括荧光型、光纤化

29、学材料型等类型;气体分子受激发光照射后处 于激发态,在返回基态的过程中发出荧光;由于荧光强度与待测气体的浓度成线性关系,荧光 型气体传感器通过测试荧光强度便可测出气体的浓度;光纤化学材料型气体传感器是指在 光纤的表面或端面涂一层特殊的化学材料,而该材料与一种或几种气体接触时,引起光纤的 耦合度、反射系数、有效折射率等诸多性能参数的变化,这些参数又可以通过强度调制等方 法来检测;例如：涂在光纤上的钯膜遇H2时候就会膨胀，气体引起薄膜的膨胀可以通过测量 干涉仪的输出光的强度来测得;5 石英谐振式气体传感器石英谐振式气敏元件由石英基片、金电极和支架三部分组成;其电极上涂有一层气体敏 感膜,当被测气体

30、分子吸附在气体敏感膜上时,敏感膜的质量增加,从而使石英振子的谐振频 率降低;谐振频率的变化量与被测气体的浓度成正比;该传感器结构简单、灵敏高,但只能使 用在室温下工作的气体敏感膜;选取聚乙烯亚胺PEIpoly ethylene imine作敏感膜，发现该传 感器对CO2的气敏特性、选择性都很好，对体积500x10-6的CO2气体测试,其响应时间为 5s,恢复时间为2s;酞菁类聚合物也常被用来制成石英谐振式气敏元件;目前已经开发出可测 试NH3、SO2、HCl、H2S、醋酸蒸气的石英谐振式气体传感器；6 表面声波气体传感器表面声波气体传感器发展的历史很短,可谓是后起之秀;尽管在实用化方面还存在许

31、多 问题,但它符合信号系统数字化、集成化、高精度的方向,因此倍受世界上许多国家的高度重 视;表面声波传播速度的影响因素很多,例如：环境温度、压力、电磁场、气体性质、固体介 质的质量、电导率等;通过选择合适的敏感膜来控制诸多影响因素中的一个因素起主导作用; 当质量起主导作用时,表面声波的振荡频率与气体敏感膜的密度成正比；当电导率起主导作 用时,表面声波的振荡频率与气体敏感膜的方块电导率成反比;设计时,通常采用双通道延迟 线结构来实现对环境温度和压力变化的补偿;目前研究的该类气体传感器大多采用有机膜 来做气敏材料,主要有聚异丁烯、氟聚多元醇等,被用来检测苯乙烯和甲苯等有机蒸气；酞菁 类聚合物薄膜被

32、用来检测NO2、NH3、CO、SO2等气体；7 气体传感器的发展方向气体传感器的研究涉及面广、难度大,属于多学科交叉的研究内容;要切实提高传感器各 方面的性能指标需要多学科、多领域研究工作者的协同合作;气敏材料的开发和根据不同原 理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注;未来气体传感器的发展也将围绕 这两方面展开工作;具体表现如下:气敏材料的进一步开发一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料性能进行进一步提 高；另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术寻找性能更加优越的气敏材料;新型气体传感器的开发和设计根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气 体传感器;近年来表面声波气体传感

33、器、光学式气体传感器、石英振子式气体传感器等新型 传感器的开发成功进一步开阔了设计者的视野;目前仿生气体传感器也在研究中;气体传感器传感机理的进一步研究新的气敏材料和新型传感器层出不穷,很有必要在 理论上对它们的传感机理进行深度的研究;只有机理明确了,下一步的工作才会少走弯路;气体传感器的智能化生产和生活日新月异的发展对气体传感器提出了更高的要求,气 体传感器智能化是其发展的必由之路;智能气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、 计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科 综合技术的基础上得到发展;仿生气体传感器的迅速发展 警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性

34、都非常好的理想气 敏传感器,结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的电子鼻将是气体传感器发展的 重要方向之一;一氧化碳传感器原理科技名词定义中文名称：一氧化碳传感器英文名称：carbon monoxide transducer定义： 将空气中的一氧化碳浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置;所属学科：煤炭科技一级学科 ；二级学科 ；煤矿监测与控制三级学科一、化学传感器 一氧化碳传感器属于化学传感器 ;化学传感器主要由两部分组成： 识别系统；传导或转换系 统;识别系统 把待测物的某一化学参数在这里是气体浓度与 传导系统 连结起来 ;它主要具有两种 功能：选择性地与待测物发生作用 ,把所测得的

35、化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号 ;分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素 ;因此 ,化学传感器研究的主要问题就是 分子 识别系统的选择以及如何把分子识别系统与合适的传导系统相连接 ;化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号 ,并通过 电极、光纤或质量敏感元件 将响应信 号以 电压、电流或光强度等 的变化形式 ,传送到电子系统即调理电路进行放大或进行转换输出 ,最 终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号 ,检测出样品中待测物的量 ;化学一氧化碳气体传感器采用密闭结构设计 ,其结构是由 电极、过滤器、透气膜、电解液、二、一氧化碳电化学传感器一氧化碳电化学气体传感器可与 报

36、警器配套使用 ,是报警器中的核心检测元件 ,它是以定电位 电解 为基本原理 ;当一氧化碳扩散到气体传感器时 ,其输出端产生电流输出 ,提供给报警器中的采 样电路 ,起着将 化学能转化为电能 的作用 ;当气体浓度发生变化时 ,气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与 报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统；三、一氧化碳电化学传感器基本工作原理当一氧化碳气体通过传感器外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时 ，在工作电极的 催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化；其化学反应式为： co + HO

37、T co + 2 H + + 2e -；在工作电极上发生氧化反应产生的 H +离子和电子，通过电解液转2 2移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应;其化学反应式为：O + 4 H + 4e - T 2 H O ；因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应；其化学反应式为：2 2 2CO+2O2 -2CO2 ；这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差；但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化见后解这使得极间电位难以维 持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围；+0.615 +1V为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极

38、；在三电极电化学气体传感器中，其输出 端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化，由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定即恒电位，此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关；当气 体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比；通过电极引出线用外部电路测量传感器输 出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围；这样，在气体传感器上外 接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控； 四、一氧化碳传感器的应用一氧化碳传感器广泛使用在矿山，汽车，家庭等空气质量安全检测的地方电极的极化电极极化 electrode pol

39、arization ；电子导体与电解质溶液接触时 ,会形成电偶层,产生电位跳跃,这个电位跳跃便称为 电子导体与溶液接触时的电极电位 ;当有外电场作用时,相对平衡的电极电位数值将发 生变化;通常把在定电流密度作用下的电极电位与相对平衡的电极电位的差值 ,称为 电极极化;常见的有、浓差极化等;由电极极化作用引起的电动势叫做 ;电极上有净电流流过时,电极电势偏离其平衡值,此现象称作极化;根据电流的方向 又可分为阳极化和阴极化 ;极化是指作用一经开始 ,其流动的速度大于反应的速度 ;在, 电子流走了,离子化反应赶不上补充；在,电子流入快,取走电子的阴极反应赶不上,这样 阳极电位向正移,阴极电位向负移,

40、从而缩小,减缓了;在通常情况下,可以使用一些、添 加到水溶液中促使极化的产生 ;这类添加的物质,能促使阳极极化的叫阳极性缓蚀剂 ;能 促使阴极极化的叫阴极性缓蚀剂 ;通过电极时,电极偏离平衡电极电势的现象称为电极 的极化;极化导致在接入以后正负极间的降低 ,也导致和在开始工作以后所需电压的升 高;这二者都是不利的,所以我们要尽量减小极化现象 ;阳极上析出电位正值要比理论析 出更正；阴极上的析出电位要比理论析出电位更负 ,我们把实际电位偏离理论值的现象 称为极化,把实际析出电位与理论析出电位间的差值称为超电位或 ;电极的去极化凡是能减弱活消除极化过程的作用称为去极化作用 ;在溶液增加去极剂的浓度

41、、升 温、搅拌以及其它降低活化超电压的措施都将促进阴极去极化作用的增强； 阳极去极化 作用是指减少或消除阳极极化的作用 ,例如搅拌、升温等均会加快金属阳离子进入溶液 的速度 ,从而减弱阳极极化 ;溶液中加入络合剂或沉淀剂 ,它们会与金属离子形成难溶解 的络合物或沉淀物 ,不仅可以使金属表面附近溶液中金属离子浓度降低 ,并能一定程度地 减弱阳极电化学极化 ;如果溶液中加入某些活性阴离子 ,就有可能使已经钝化了的金属重 新处于活化状态 ;显然 ,从控制腐蚀的角度 ,总是希望如何增强极化作用用以降低腐蚀速 度;但是对于电解过程 ,腐蚀加工 ,为了减少能耗却常常力图强化去极化作用 ;用作牺牲阳 极保护

42、的材料也是要求极化性能越小越好 ;电阻式金属氧化物半导体传感器原理半导体电阻式气体传感器依靠某些金属 -氧化物半导体的表面电导率或体电导率随周 围大气中氧气浓度而变的原理进行工作;1962 年,塔古奇创办了 Figaro Engineering 公司,该 公司在1968年便开始销售首批金属-氧化物半导体传感器-TGSTaguchi传感器气体；半导体氧化物的晶体具有一些缺陷，通常为氧离子空位;在高于700C左右的温度下，从 大气中吸附和吸收的02分子离解，通过从金属氧化物中夺取电子而形成O-,因而降低了电 导率;氧化物的电导率与氧气分压强之间的关系具有下列形式：TGS系列气体传感器的敏感材料是活

43、性很高的金属氧化物半导体，最常用的如Sn02;金 属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时 ,氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面,半 导体表面的电子会被转移到吸附氧上 ，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一 个正的空间电荷层，导致表面势垒势垒 Potential Engergy Barrier 就是势能比附近的势能都 高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小片区域升高 ，从而阻碍电子流动见图 1;在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微品粒的结合部位晶界才能形 成流由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动 ，传感器的电阻即缘于这 种势垒;在上作条件下当传感器遇到

44、还原性气体时 ，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原 反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低图2和图3;导致传感器的阻值减小;在给定的上作条件下和适当的气体浓度范围内 ，传感器的电阻值和还原性气体浓度之 间的关系可近似由下面方程表示:R = aIc Ls其中:Rs:传感器电阻A:常数C:气体浓度 a : Rs曲线的斜率如何选择气体传感器1根据测量对象与测量环境根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 ; 要进行个具体的测量工作 ,首先 要考虑采用何种原理的传感器 ,这需要分析多方面的因素之后才能确定 ;因为 ,即使是 测量同一物理量 ,也有多种原理的传感器可供选用 ,哪一种原理的传感器更为合适 ,

45、则 需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被 测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法 ,有线 或是非接触测量；传感器的来源 ,国产还是进口 ,价格能否承受 ,还是自行研制 ;在考虑 上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器 ,然后再考虑传感器的具体性能指标 ; 2灵敏度的选择通常 ,在传感器的线性范围内 ,希望传感器的灵敏度越高越好 ;因为只有灵敏度高 时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大 ,有利于信号处理 ;但要注意的是 ,传感 器的灵敏度高 ,与被测量无关的外界噪声也容易混入 ,也会被放大系统放大 ,影响测量 精度;因

46、此 ,要求传感器本身应具有较高的信噪比 ,尽量减少从外界引入的于扰信号 ;传 感器的灵敏度是有方向性的 ;当被测量是单向量 ,而且对其方向性要求较高 ,则应选择 其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量 ,则要求传感器的交叉灵敏度越小 越好;3响应特性 反应时间传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围 ,必须在允许频率范围内保持不 失真的测量条件 ,实际上传感器的响应总有定延迟 ,希望延迟时间越短越好 ;传感器 的频率响应高 ,可测的信号频率范围就宽 ,而由于受到结构特性的影响 ,机械系统的惯 性较大 ,因有频率低的传感器可测信号的频率较低 ;在动态测量中 ,应根据信号的特点 稳态、瞬态、随机等响应特性 ,以免产生过火的误差 ;4线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围 ;以理论上讲 ,在此范围内 ,灵敏 度保持定值;传感器的线性范围越宽 ,则其量程越大 ,并且能保证一定的测量精度 ;在选 择传感器时 ,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求 ;但实际上 ,任何 传感器都不能保证绝对的线性 ,其线性度也是相对的 ;当所要求测量精度比较低时 ,在 一定的范围内 ,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的 ,这会给测量带来极大的 方便;