了解气体传感器的工作原理及应用场景

1.气体传感器的分类及工作原理

气体传感器主要有：半导体传感器（电阻式和非电阻式）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学传感器（恒电位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、声表面波型、石英振荡型、光纤型、热传导型、气体色谱型等。下面简要介绍以下几种。

（1）半导体传感器

电阻式半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时，其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化，从而对气体进行直接或间接的检测。

（2）绝缘体传感器

接触燃烧式气体传感器是根据强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，使传感器温度上升，这种温度变化可使贵金属电极电导随之变化的原理而设计的。另外与半导体传感器不同的是，它几乎不受周围环境湿度的影响。电容式气体传感器则是根据敏感材料吸附气体后，其介电常数发生改变导致电容变化的原理而设计。

（3）电化学气体传感器

电化学气体传感器主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极。电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电池方式工作。有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分为电位型和电流型。电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；电流型根据极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。

（4）红外吸收型传感器

红外吸收型传感器是利用红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有一定吸收。

（5）声表面波型传感器

声表面波型传感器的关键是SAW（surface acousticwave）振荡器，它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，有延迟型和振子型两种振荡器。SAW传感器自身固有一个振荡频率，当外界待测量变化时，会引起振荡频率的变化，从而测出气体浓度。

2.常见的气体传感器

这里只介绍用于检测几种具有代表性的有毒气体或大气污染气体（CO、NOx、SO2、CO2）和可燃烧性气体（H2、CH4）的气体传感器。检测这些气体，有利于提高人们的生活质量，保护周围的生态环境，保障机器的正常安全生产，甚至保护人民的生命安全。

（1）CO传感器和最新敏感材料

对CO气体检测的适用方法有比色法、半导体法、电化学和红外吸收探测法气体传感器检测法等。

①比色法。根据CO气体是还原性气体，能与氧化物发生反应，因而使化合物颜色改变，通过颜色变化来测定气体的浓度。这种传感器的主要优点是没有电功耗。

②半导体法。通过溶胶-凝胶法获得SnO2基材料，在基材料中掺杂金属催化剂来测定气体。现国外有研究对SnO2基材料中掺杂Pt、Pd、Au等，并发现当传感器工作在220℃时，在SnO2中掺杂2％的Pt时，传感器对CO具有最大的敏感度。由于气体传感器的交叉感应，使得CO传感器对很多气体如H2、CO2、H2O等都有感应，但是采用上面的方法使得对其他气体的敏感度下降很多。

③电化学气体传感器。利用敏感电极（如常用的金属材料电化学电极有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等过渡金属元素，这类元素具有空余的d、f电子轨道和多余的d、f电子，可在氧化-还原的过程中提供空穴或电子，也可以形成络合物，具有较强的催化能力）又研制了一种新型的CO电化学式气体传感器，即把多壁碳纳米管自组装到Pt微电极上，制备多壁碳纳米管粉末微电极，以其为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，Pt丝为对比电极，多孔聚四氟乙烯膜作为透气膜制成传感器，对CO具有显著的电化学催化效应，其响应时间短，重复性好。

④红外吸收探测法。利用CO气体近红外吸收机理，研究了一种光谱吸收型光纤CO气体传感器，该仪器检测灵敏度可达到0.2×10－6；另一种光学型传感器是用溶胶-凝胶盐酸催化法和超声制得SiO2薄膜，将薄膜浸入氯化钯、氯化铜混合溶液，匀速提拉，干燥后制得敏感膜，利用钯盐与CO反应，生成钯单质，引起吸光度变化。

现知国外有此项研究，采用超频率音响增强电镀铁酸盐方法获得磁敏感膜，磁饱和度和矫顽磁力决定对气体的响应敏感度。当温度加热到85℃时，得到最大响应，检测范围为333～5000ppm。(www.xing528.com)

（2）CO2传感器和最新敏感材料

目前，人们已经研究开发出了红外线吸收式、电化学式、热传导式、电容式及固体电介质CO2传感器及检测仪，其中红外线吸收式与CO基本相似。

①电容式传感器的原理是金属氧化物一般比其碳酸盐的介电常数大，利用电容的变化来检测CO2。报道采用溶胶-凝胶法，以醋酸钡和钛酸丁脂为原材料，乙醇和醋酸为溶剂制备了BaTiO3纳米晶材料。采用这种纳米晶材料为基体，制备电容式CO2气体传感器。

②固体电解质CO2气体传感器是由Gauthier提出的。初期用K2CO3固体电解质制备的电位型CO2传感器，受共存水蒸气影响很大，难以实用；后来有人利用稳定化锆酸盐ZrO2－MgO设计一种CO2敏感传感器，用LaF3单晶与金属碳酸盐相结合制成的CO2传感器具有良好的气敏特性，在此基础上有人提出利用稳定化锆酸盐/碳酸盐相结合制成传感器。

1990年，日本的山添等人采用NASICON（Na＋超导体）固体电解质和二元碳酸盐（Ba-CO3Na2CO3）电极，使传感器响应特性有了大的改进。但是，这类电位型的固态CO2传感器需要在高温（400℃～600℃）下工作，且只适宜于检测低浓度CO2，应用范围受到限制。

③光纤CO2传感器利用CO2与水结合后，生成的碳酸酸性很弱，其酸性的检测多采用灵敏度较高的荧光法，如杨荣华等人研制的基于荧光碎灭原理的固定有叶琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用环糊精对叶琳的荧光增强效应，且该荧光能被溶液中二氧化碳碎灭，该膜响应速度快、重现性好、抗干扰能力强，测定碳酸的范围达到了4.75×10－7～3.90×10－5mol/L，这对化学传感器来说是一个较好的性能指标。该方法克服了化学发光传感器消耗试剂的不足，不必连续不断地在反应区加送试剂。

（3）H2传感器和最新敏感材料

H2传感器采用NO直接氧化制备氮氧化物作为绝缘层，制备高性能Si基MOS肖特基二极管气体传感器，这种肖特基二极管气体传感器具有较高的灵敏度和较好的重复性，可以探测浓度约为10－6mol/L的H2。

（4）CH4传感器和最新敏感材料

光纤光栅是光纤芯区折射率受永久性、周期性调制的一种特种光纤，光纤光栅CH4传感器以光纤光栅传感器对传感信息采用波长编码，因此它不受电磁噪声和光强波动的干扰，并且便于利用复用（波分、时分、空分）技术实现对多种传感量的准分布多点测量。满足公式λB＝2neffΛ的波长才能被反射出来，其他的光线具有很好的透射率，从而提高检测的精度。式中λB为Bragg波长（即光栅反射对应于自由空间中的中心波长），Λ为光栅周期，neff为纤芯的有效折射率。

（5）SO2传感器和最新敏感材料

目前，用于SO2气体浓度/体积分数测量的方法有很多，这里主要介绍叉指电容法、光学检测法、声表面波法和电解质法。

①SO2叉指电容法。根据SO2化学电子层特性，其与有机物结合，会导致介电常数的变化。根据电容的变化，测量气体的浓度，现在浓度测量比较精确的方法是采用聚苯酚。

②SO2光学检测传感器。光学检测比较常用的是红外线吸收法和光干涉法。其中，红外线吸收式传感器包括两个构造形式完全相同的光学系统，一束红外光入射到密封着某种气体的比较槽内，另一束红外光入射到通有被测气体的槽内。两个光学系统的光源同时以固定周期开闭。由于不同种类的气体对不同波长的红外光具有不同的吸收特性，同时同种气体而浓度不同对红外光的吸收量也彼此相异。通过测量槽和比较槽的改变量来检测是哪种气体。光干涉法同样根据朗伯-比尔吸收定律，在此不再赘述。

③SO2声表面波传感器。通常采用双通道法来压制共膜比，气体敏感膜采用CdS膜，此传感器的测量分辨率为10－6/Hz。

④SO2电解质传感器。早期的液态电解质Li2SO4-K2SO4-Na2SO4，固态电解质有NASICON和LaF3。固态电解质SO2传感器分全固态和半固态SO2传感器，现工作电极采用较多的是Nafion膜，亦有采用V2O5，研制的传感器均优于全液态控制SO2传感器，而固态控制型响应时间、结构性能更好，但响应灵敏度不如液态和半固态。

（6）氮氧化合物传感器和最新敏感材料

①压电石英晶体NO2传感器。通过在石英谐振器的两面金电极上修饰对NO2待测组分有较强吸附富集作用的功能层，当待测NO2与功能层接触时发生吸附，引起石英谐振器表面质量负载的增加，从而使压电传感器的振荡频率下降，频率的漂移量与表面负载量可由公式算出，从而可推测气体的浓度。

②半导体NO2传感器。WO3对NO2有很好的敏感性，但是WO3制备方式和敏感膜的制作技术影响传感器的气敏性能。在WO3中掺杂SiO21％～5％，而且敏感膜颗粒为纳米级时气敏特性最好。采用溅射工艺的In2O3、ZnO作下电极，真空蒸发CuPc薄膜作为敏感功能层，上电极为Al叉指电极。

③NOx电化学传感器。固体电解质有采用NASICON超离子导体与亚硝酸钠作为敏感膜检测NOx，具有很好的选择性、响应性；基于稳定氧化锆制备的NOx固体电解质传感器则具有良好的化学和机械稳定性；现在研究较多的是用Nafion膜作为固体聚合物电解质。