氣敏傳感器介紹

　　氣敏傳感器可用于對氣體的定性或定量檢測。氣敏材料與氣體接觸后會發生化學或物理相互作用，導致其某些特性參數的改變，包括質量，電參數，光學參數等。氣敏傳感器利用這些材料作為氣敏元件，把被測氣體種類或濃度的變化轉化成傳感器輸出信號的變化，從而實現氣體檢測目的。

　　注：點擊圖片進入動畫演示

　 ? 氣敏傳感器的應用

　　氣敏傳感器主要用于對各種目標氣體的定性或定量檢測，在環境氣體監測，食品安全監察，工業排放監控，呼氣疾病診斷等領域有著廣泛的應用。

　　氣敏傳感器分類

　　根據氣敏元件的不同，氣體傳感器可分為半導體氣體傳感器，紅外吸收式氣敏傳感器，接觸燃燒式氣敏傳感器以及利用電極和電解液對氣體進行檢測的電化學傳感器等。

　　3.1 半導體氣敏傳感器

　　半導體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當被測氣體在半導體表面吸附后，使半導體敏感材料的電學特性（例如電導率）發生變化，通過測量其變化，就可以實現對氣體的檢測。對半導體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。

　　表1 半導體氣體傳感器的分類

　　主要物理特性傳感器舉例工作溫度代表性被測氣體

　　電阻式表面控制型氧化錫、氧化鋅室溫 ~ 450℃可燃性氣體

　　體控制型氧化鈦、氧化鈷

　　氧化鎂、氧化錫300 ~ 450℃

　　700℃以上酒精、可燃氣體、氧氣

　　非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇

　　二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫 ~200℃氫氣、一氧化碳、酒精

　　晶體管特性鉑柵MOS場效應管150℃氫氣、硫化氫

　　優點：成本低，反應快，靈敏度高，濕度影響小。

　　缺點：必須高溫工作，對氣體選擇性差。

　　3.2 光學氣敏傳感器

　　光學氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外—可見光波段。

　　大多數氣體分子的振動和轉動光譜都在紅外波段。當入射紅外輻射的頻率與分子的振動轉動特征頻率相同時，紅外輻射就會被氣體分子所吸收，引起輻射強度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結構如圖1所示。紅外光源產生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測氣體時，根據氣體種類不同，將對不同波長的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達光敏元件的紅外光的強度，根據紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號就可以知道被測氣體的種類和濃度。

　　圖1 量子型紅外光敏元件氣敏傳感器的構成

　　某些材料和特定氣體接觸反應后其在紫外—可見光波段的吸收光譜會發生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會發生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外—可見光波段實現對氣體的檢測。

　　光學氣敏傳感器精度高、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機械等工業部門生產流程控制的重要監測手段；在環境污染成分檢測和醫學生理研究等方面也都有許多成功的應用。其缺點是價格偏高，使用和維護難度較大。

　　3.3 接觸燃燒式氣敏傳感器

　　典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結構與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設有白金等金屬線，工作時金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當可燃氣體接觸傳感器表面時會發生燃燒，所產生的熱量使金屬絲進一步溫度升高，致使電阻值增大，導致電橋失衡產生輸出。不同種類不同濃度的可燃氣體燃燒產生的熱量不同，對應不同的電路輸出。

　　圖2 接觸燃燒式氣敏傳感器結構與電路原理

　　接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性氣體的存放情況和防止危險事故發生。

　　優點：對氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應快。

　　缺點：對低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。

　　3.4 電化學氣敏傳感器

　　電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，然后是憎水屏障，最終到達傳感電極表面發生反應，以形成充分的電信號，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。

　　電化學氣敏傳感器主要用于相對封閉環境中有毒有害氣體的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對CO，H2S和甲醛等的監測和報警。

　　優點：選擇性好，反應迅速，靈敏度高，可實時連續檢測。

　　缺點：易受環境影響，價格較高。

　　3.5 各種氣敏傳感器的反應機理和優缺點綜述

　　分類反應機理優缺點

　　半導體氣體傳感器通過測定氣體接觸前后半導體電性質變化來檢測氣體濃度和種類優點：成本低，反應快，靈敏度高，濕度影響小

　　缺點：必須高溫工作，對氣體選擇性差

　　紅外氣體傳感器利用氣體不同濃度不同種類對于不同紅外波長的吸收特性檢測氣體優點：精度、選擇性好，氣敏度范圍寬

　　缺點：價格偏高，使用和維護難度較大

　　可燃式氣體傳感器利用氣體燃燒產生熱量后電阻變化值來檢測氣體濃度和種類優點：輸出與濃度成正比，再現性好，受溫濕度影響小

　　缺點：抗震性差，對于有毒氣體反應差

　　電化學傳感器不同濃度氣體產生對應電信號來檢測特定氣體的濃度優點：靈敏度高，氣體選擇性好，在一定濃度可作分析儀器

　　缺點：價格較高，易受環境影響

　　 典型應用

　　（1） 家用氣體報警器

　　（2） 有害氣體辨別

　　（3） 可燃性氣體濃度檢測

　　（4） 礦燈瓦斯報警器

　　（5） 煙霧報警器

　　（6） 酒精檢測報警器