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1、 氣體傳感器原理 分析氣體傳感器選擇及其分類 氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進行化學處理，以便化學傳感器進行更快速的測量。 氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應時間。目前，氣體的采樣方式主要是通過簡單擴散法，或是將氣體吸入檢測器。（簡單擴散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標氣體穿過探頭內(nèi)的傳感器，產(chǎn)生一

2、個正比于氣體體積分數(shù)的信號。由于擴散過程漸趨減慢，所以擴散法需要探頭的位置非常接近于測量點。擴散法的一個優(yōu)點是將氣體樣本直接引入傳感器而無需物理和化學變換。樣品吸入式探頭通常用于采樣位置接近處理儀器或排氣管道。這種技術(shù)可以為傳感器提供一種速度可控的穩(wěn)定氣流，所以在氣流大小和流速經(jīng)常變化的情況下，這種方法較值得推薦。將測量點的氣體樣本引到測量探頭可能經(jīng)過一段距離，距離的長短主要是根據(jù)傳感器的設(shè)計，但采樣線較長會加大測量滯后時間，該時間是采樣線長度和氣體從泄漏點到傳感器之間流動速度的函數(shù)。對于某種目標氣體和汽化物，如SiH4以及大多數(shù)生物溶劑，氣體和汽化物樣品量可能會因為其吸附作用甚至凝結(jié)在采樣管

3、壁上而減少。） 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 穩(wěn)定性：傳感器在整個工作時間內(nèi)基本響應的穩(wěn)定性，取

4、決于零點漂移和區(qū)間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體時，整個工作時間內(nèi)傳感器輸出響應的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標氣體中的輸出響應變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號在工作時間內(nèi)的降低。理想情況下，一個傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點漂移小于10%。 響應特性 （反應時間）：傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應

5、特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。 線性范圍：傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度

6、高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 氣體傳感器是化學傳感器的一大門類，從工作原理、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨立的分類標準，衍生出一個個紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標準的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對其進行嚴格的系統(tǒng)分類難度頗大。 通常以氣敏特性來分類，主要可分為：半導體型氣體傳

7、感器、電化學型氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光化學型氣體傳感器、高分子氣體傳感器等。 半導體氣體傳感器 半導體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導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，引起以載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化。這些都是由材料的半導體性質(zhì)決定的。 自從1962年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導體氣體傳感器已經(jīng)成為當前應用最普遍、最具有實用價值的一類氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機制可以分為電阻式和非電阻式兩種。 電阻式半導體氣體傳感器主要是指半導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：S

8、n02，ZnO Fe203，Ti02等)制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣味分子在薄膜表面進行還原反應以引起傳感器傳導率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應進程。它具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點。不足之處是必須工作于高溫下、對氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想、功率要求高.當探測氣體中混有硫化物時，容易中毒?，F(xiàn)在除了傳統(tǒng)的SnO，Sn02和Fe203三大類外，又研究開發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開

9、發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應用范圍。另外，通過在半導體內(nèi)添加Pt，Pd，Ir等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應時間。它能降低被測氣體的化學吸附的活化能，因而可以提高其靈敏度和加快反應速度。催化劑不同，導致有利于不同的吸附試樣，從而具有選擇性。例如各種貴金屬對Sn02基半導體氣敏材料摻雜，Pt，Pd，Au提高對CH4的靈敏度，Ir降低對CH4的靈敏度；Pt，Au提高對H2的靈敏度，而Pd降低對H2的靈敏度。利用薄膜技術(shù)、超粒子薄膜技術(shù)制造的金屬氧化物氣體傳感器具有靈敏度高(可達10-9級)、一致性好、小型化、易集成等特點。 非電阻式半導體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場

10、效應管式(MOSFET)半導體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測氫和硅燒氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應，反應產(chǎn)物擴散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而識別VOC。通過改變催化金屬的種類和膜厚可優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復雜，成本高。 電化學型氣體傳感器 電化學型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。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)，市售的檢測缺氧的儀器幾乎

11、都配有這種傳感器，近年來，又開發(fā)了檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魇峭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，N02，02，S02等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分數(shù)。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質(zhì)反應產(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出現(xiàn)得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分數(shù)已電化學式氣體傳感器主要的優(yōu)點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。 固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導體為電解質(zhì)的化學電池。20世紀70年代開始，固體電解質(zhì)氣體傳感

12、器由于電導率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎應用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個領(lǐng)域，其產(chǎn)量大、應用廣，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。近來國外有些學者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類： 1)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子相同的傳感器，例如氧氣傳感器等。 2)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子不相同的傳感器，例如用于測量氧氣的由固體電解質(zhì)SrF2H和Pt電極組成的氣體傳感器。 3)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，例如新開發(fā)高質(zhì)量的C02固體電解質(zhì)氣體傳感器是由固體電解質(zhì)NASI

13、CON(Na3Zr2Si2P012)和輔助電極材料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03，Li2C03- BaC03組成的。 目前新近開發(fā)的高質(zhì)量固體電解質(zhì)傳感器絕大多數(shù)屬于第三類。又如：用于測量N02的由固體電解質(zhì)NaSiCON和輔助電極N02- Li2C03制成的傳感器；用于測量H2S的由固體電解質(zhì)YST-Au-W03制成的傳感器；用于測量NH3的由固體電解質(zhì)NH4-Ca203制成的傳感器；用于測量N02的由固體電解質(zhì)Ag0.4Na7.6和電極Ag-Au制成的傳感器等。 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

14、料(如Pt電熱絲等)在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發(fā)生變化。這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測各種可燃氣體。這種傳感器有時稱之為熱導性傳感器，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。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測。  氣體傳感器的研究進展 隨著人們生活水平的提高和對環(huán)保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提出了更

15、高的要求，作為感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。氣體傳感器能夠?qū)崟r對各種氣體進行檢測和分析，具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點；加上微電子、微加工技術(shù)和自動化、智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得氣體傳感器體積變小、價格低廉、使用方便，因此它在軍事、醫(yī)學、交通、環(huán)保、質(zhì)檢、防偽、家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但目前市售的氣體傳感器仍然存在一些問題，如選擇性和穩(wěn)定性較差等。氣體傳感器各項性能指標的進一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開發(fā)正日益受到重視，世界各國紛紛投巨資進行這一領(lǐng)域的研究。 氣體傳感器的種類很多，分類標準不一，根據(jù)傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機理和效應不同

16、主要可分為半導體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器、表面聲波氣體傳感器等形式。 1 半導體氣體傳感器 半導體氣體傳感器分為金屬氧化物半導體氣體傳感器和有機半導體氣體傳感器。 1.1金屬氧化物半導體氣體傳感器 自上世紀60年代以來，金屬氧化物半導體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應迅速等優(yōu)點占據(jù)氣體傳感器的半壁江山。最初的氣體傳感器主要采用SnO2、ZnO為氣敏材料，近些年又研究開發(fā)了一些新型材料，除了少量單一金屬氧化物材料，如WO3、In2O3、TiO2、Al2O3等外，開發(fā)的熱點主要集中在復合金屬氧化物和混合物金屬氧化

17、物，如表1所示。金屬氧化物半導體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩種。 1.1.1電阻式金屬氧化物半導體傳感器　　 SnO2、ZnO是電阻式金屬氧化物半導體傳感器的氣敏材料的典型代表，它們兼有吸附和催化雙重效應，屬于表面控制型，但該類半導體傳感器的使用溫度較高，大約200～500℃。為了進一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向母料中添加一些貴金屬（如Ag、Au、Pb等），激活劑及粘接劑Al2O3、SiO2、ZrO2等。例如添加1% ZrO2的ZrO2－SnO2氣體傳感器對于１１０－５的Ｈ２Ｓ氣體靈敏度與未添加ZrO2的元件相比，靈敏度增加約50倍左右；在SnO2中添加Pb能明顯提高響應

18、時間。采用粉末濺射技術(shù)制備的表面層摻雜SnO2 /SnO2：Pt雙層膜來檢測CO的濃度，發(fā)現(xiàn)可降低工作溫度，在室溫至200℃溫度范圍內(nèi)均顯示出較高的靈敏度。通過添加不同的添加劑還能改善氣體傳感器的選擇性，在ZnO中添加Ag能提高對可燃性氣體的靈敏度，加入V2O5能使其對氟里昂更加敏感，加入Ga2O3能提高對烷烴的靈敏度[]。Fe2O3系也屬于該類氣體傳感器，用溶膠凝膠法和化學氣相沉積法合成納米級的Fe2O3對CH4、H2、C2H5OH有很好的敏感性；向Fe2O3中加入少量的SO42－及四價金屬離子如Sn4+由于抑制其晶粒生長而提高靈敏度。近年來采用薄膜技術(shù)和集成電路技術(shù)把加熱元件、溫度傳感器、

19、叉指電極、氣體敏感膜集成在硅寸底上制成了比常規(guī)的多晶膜高的多得的氣敏元件，并且結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，可以根據(jù)被測氣體選擇不同的敏感膜，使得該類傳感器成為很有發(fā)展前景的新型半導體氣體傳感器。但氣敏元件一般暴露在大氣中且加熱元件的電壓值決定了氣敏元件的工作溫度，因此如何消除濕度和溫度等環(huán)境因素對測量的影響還未得到很好的解決。 表1近期開發(fā)的一些氣體傳感器敏感材料 檢測氣體 敏感材料 CH4 Rh－SnO2、CeO2－SnO2 CO Au/Co3O4、Cu－ZnO2 H2 Sb2O3－SnO2、Bi2O3－SnO2 CO2 La2O3－SnO2、CaO－La2O3、Ag－CuO－B

20、aTiO2、Cu－BaSnO2、BaCe0.25Y0.05O3-x、Cu－SnTiO3 NH3 Au/WO3、Cr1.8TiO3 C2H5OH Pd－La2O3－SnO2、 Pd－La2O3－In2O3 H2S ZnO－SnO2、CuO－SnO2、Ag－SnO2、Au－WO3 NOX In－TiO2、In2O3、Cd－SnO2、WO3、Ga－ZnO、In，Al－SnO2、Cr2O5－Nb2O5、V/In－SnO2 SO2 LiSO4－CaSO4－SiO2 PH3 ZnO、SnO2、 Sr1-yCayFeO3-x(y=0.05,1)、Fe2O3系 1.1.2非電阻式金屬氧

21、化物半導體氣體傳感器 　　非電阻式金屬氧化物半導體氣體傳感器主要包括MOS場效應管型氣體傳感器和二極管型氣體傳感器等。 　　氫氣敏Pd柵MOSEFT是最早研制成的催化金屬柵場效應氣體傳感器，當氫氣與Pd發(fā)生作用時，場效應管的閾值電壓將隨氫氣濃度而變化，以此來檢測氫氣。這種結(jié)構(gòu)的氣體傳感器對氫氣的靈敏度可達ppm級，而且選擇性非常好，但長期穩(wěn)定性問題目前尚未得到很好解決。此外Pd柵MOSFET場效應管型氣體傳感器還可以檢測一些易分解出氫氣的氣體，如NH3、H2S等[]。采用YSZ作MOS場效應晶體管的柵極，Pt作金屬柵可制成氧氣敏場效應管型氣體傳感器[]。A.Fuchs等人用帶有KI敏感膜的

22、場效應管氣體傳感器可以很好的實現(xiàn)O3的檢測，在20～80ppb濃度范圍內(nèi)有很好的分辨率[]。將MOSFET的金屬柵去掉,采用La0.7Sr0.3FeO3納米薄膜作柵制作了微米尺寸、室溫工作的OSFET式氣體傳感器成功實現(xiàn)了對乙醇氣體的檢測。 　　晶體管型氣體傳感器的原理是吸附在金屬與半導體界面間的氣體使得半導體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)發(fā)生變化，通過半導體整流特性的變化來判斷其濃度的大小。在摻錮的硫化鎘上蒸發(fā)一薄層鈀構(gòu)成鈀/硫化鎘二極管傳感器,可以用來檢測氫氣。此外鈀/氧化鈦、鈀/氧化鋅、鉑/氧化鈦也可制成二極管敏感元件用于氫氣檢測[]。 1.2有機半導體氣體傳感器 　　有機半導體材料由于

23、其易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉,易與微結(jié)構(gòu)傳感器相結(jié)合, 并且可以根據(jù)功能需要進行分子設(shè)計和合成等諸多優(yōu)點越來越受到國內(nèi)外研究人員的重視。 　　酞菁類聚合物是有機半導體敏感材料的代表，它們所具有的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得吸附氣體分子與有機半導體之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系。不同的酞菁聚合物可選擇如真空升華技術(shù)、LB膜技術(shù)、旋涂技術(shù)和自組織膜技術(shù)等制膜技術(shù)在檢測器件上制得薄膜型氣敏元件，還可制得傳感器陣列，使其與計算機模式識別技術(shù)結(jié)合使用。謝丹等人在MOSFET基礎(chǔ)上,根據(jù)電荷流動電容器原理,以三明治型稀土金屬元素鏷雙酞菁配合物Pr[Pc(OC8H17)8]2為氣敏材料，取代中間柵極中的間隙位置，利

24、用LB超分子薄膜技術(shù)，將Pr[Pc(OC8H17)8]2與十八烷醇（OA）以1：3的比例混合而成的LB多層膜拉制在電荷流動場效應管（CFT）上，形成一種新型的具有CFT結(jié)構(gòu)的LB膜NO2氣體傳感器，室溫下檢測NO2靈敏度可達5ppm[]。此外，聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、β―胡蘿卜素等[]近年來也被用作有機半導體氣敏材料受到人們關(guān)注。 2　固體電解質(zhì)氣體傳感器 　　固體電解質(zhì)指的是依靠離子或質(zhì)子來實現(xiàn)傳導的一類固態(tài)物質(zhì)。固體電解質(zhì)氣體傳感器的原理是敏感材料在一定氣氛中會產(chǎn)生離子，離子的遷移和傳導形成電勢差，根據(jù)電勢差來實現(xiàn)氣體濃度大小的測定。由于這種傳感器在一定溫度下電導率高、靈敏度和選擇性好

25、，所以在冶金石化、能源環(huán)保和宇航交通等各領(lǐng)域均得到了廣泛的應用。 　　ZrO2氧傳感器是最具有代表性的固體電解質(zhì)氣體傳感器。通常用 CaO、MgO、Y2O3穩(wěn)定的ZrO2做氧離子導體，靈敏度非常高，1000℃ZrO2（CaO）傳感器的測量下限為10―13Pa氧，響應快，可實現(xiàn)跟蹤連續(xù)檢測[]。該類傳感器的特點是氣敏材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子相同，原理簡單。 　　目前固體電解質(zhì)氣體傳感器研究的熱點主要集中下面兩類：一類是氣敏材料吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動離子不相同的傳感器；另一類是氣敏材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中移動離子以及材料中的固定離子都不相同

26、的傳感器。這兩類原理相對復雜，有些原理至今仍未得到合理解釋。將用溶膠凝膠法合成的NASICON與BaCO3―LiCO3輔助相復合電極做成小型CO2固體電解質(zhì)氣體傳感器，發(fā)現(xiàn)該器件對CO2表現(xiàn)出良好的線性敏感特性、快速的響應恢復和較強的抗干擾能力[]；以NASICON為固體電解質(zhì)，采用NaNO2為輔助電極構(gòu)成的傳感器，發(fā)現(xiàn)對NO2和NO的敏感性遠優(yōu)于NaNO2[]；從K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、AgSO4到NaSiCON、Na-β(β)-Al2O3、Ag-β-Al2O3都被用做SO2氣體傳感器[]；固體電解質(zhì)NH -CaCO3、YST-Au-WO3分別被用做NH3與H2S氣體傳感器[

27、]； 本實驗室采用單晶、多晶、LaF3(CaF2)制成H2O、H2、SO2固體電解質(zhì)傳感器，發(fā)現(xiàn)靈敏度和選擇性都較高[]。有機固體電解質(zhì)以易成膜，彈性好，質(zhì)輕，易形成大面積，且制備簡單和原料易得等優(yōu)點也引起眾多研究者的興趣。常見的有機固體電解質(zhì)包括聚乙烯氧化物（PEO）、磷酸氫鈾酰、Nafion高分子等[]，它們常被用做H2和水蒸氣固體電解質(zhì)傳感器的氫離子導體（質(zhì)子導電）。有機凝膠電解質(zhì)傳感器已用于檢測空氣中的H2S、PH3等有害氣體。 3　接觸燃燒式氣體傳感器 　　接觸燃燒式氣體傳感器的工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，溫度約在300～600℃，當可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化

28、燃燒，燃燒熱進一步使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量電阻變化從而測量氣體濃度[]。該種氣體傳感器的優(yōu)點是對氣體選擇性好，受溫度和濕度影響小，響應快，已經(jīng)被廣泛應用在石油化工廠、礦井、浴室和廚房等處。目前實用化的接觸燃燒式氣體傳感器有規(guī)模生產(chǎn)的H2、LPG、CH4檢測用產(chǎn)品,其次是碳化氫與有機溶劑蒸氣檢測用產(chǎn)品[]。但它們對低濃度可燃性氣體靈敏度低，敏感元件受催化劑侵害較嚴重。 4　光學式氣體傳感器 　　光學式氣體傳感器主要以光譜吸收型為主。它的原理是：不同的氣體物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)不同、濃度不同和能量分布的差異而有各自不同的吸收光譜。這就決定了光譜吸收型氣體傳感器的選擇性、鑒別性和

29、氣體濃度的唯一確定性。若能測出這種光譜便可對氣體進行定性、定量分析。目前已經(jīng)開發(fā)了流體切換式、流程直接測量式等多種在線紅外吸收式氣體傳感器。在汽車的尾氣中，CO、CO2和烴類物質(zhì)的濃度，以及工業(yè)燃燒鍋爐中的有害氣體SO2、NO2都可采用光譜吸收型氣體傳感器來檢測。 　　光學式氣體傳感器還包括熒光型、光纖化學材料型等類型。氣體分子受激發(fā)光照射后處于激發(fā)態(tài)，在返回基態(tài)的過程中發(fā)出熒光。由于熒光強度與待測氣體的濃度成線性關(guān)系，熒光型氣體傳感器通過測試熒光強度便可測出氣體的濃度。光纖化學材料型氣體傳感器是指在光纖的表面或端面涂一層特殊的化學材料，而該材料與一種或幾種氣體接觸時，引起光纖的耦合度、反射

30、系數(shù)、有效折射率等諸多性能參數(shù)的變化，這些參數(shù)又可以通過強度調(diào)制等方法來檢測。例如：涂在光纖上的鈀膜遇H2時候就會膨脹，氣體引起薄膜的膨脹可以通過測量干涉儀的輸出光的強度來測得。 5　石英諧振式氣體傳感器 　　石英諧振式氣敏元件由石英基片、金電極和支架三部分組成。其電極上涂有一層氣體敏感膜，當被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時，敏感膜的質(zhì)量增加，從而使石英振子的諧振頻率降低。諧振頻率的變化量與被測氣體的濃度成正比。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏高,但只能使用在室溫下工作的氣體敏感膜。選取聚乙烯亞胺PEI(poly ethylene imine)作敏感膜,發(fā)現(xiàn)該傳感器對CO2的氣敏特性、選擇性都很好

31、,對體積50010-6的CO2氣體測試，其響應時間為5s，恢復時間為2s。酞菁類聚合物也常被用來制成石英諧振式氣敏元件。目前已經(jīng)開發(fā)出可測試NH3、SO2、HCl、H2S、醋酸蒸氣的石英諧振式氣體傳感器。 6　表面聲波氣體傳感器 　　表面聲波氣體傳感器發(fā)展的歷史很短，可謂是后起之秀。盡管在實用化方面還存在許多問題，但它符合信號系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、高精度的方向，因此倍受世界上許多國家的高度重視。表面聲波傳播速度的影響因素很多，例如：環(huán)境溫度、壓力、電磁場、氣體性質(zhì)、固體介質(zhì)的質(zhì)量、電導率等。通過選擇合適的敏感膜來控制諸多影響因素中的一個因素起主導作用。當質(zhì)量起主導作用時，表面聲波的振蕩頻率

32、與氣體敏感膜的密度成正比；當電導率起主導作用時，表面聲波的振蕩頻率與氣體敏感膜的方塊電導率成反比。設(shè)計時，通常采用雙通道延遲線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對環(huán)境溫度和壓力變化的補償。目前研究的該類氣體傳感器大多采用有機膜來做氣敏材料，主要有聚異丁烯、氟聚多元醇等，被用來檢測苯乙烯和甲苯等有機蒸氣；酞菁類聚合物薄膜被用來檢測ＮＯ２、ＮＨ３、ＣＯ、ＳＯ２等氣體。 7　氣體傳感器的發(fā)展方向 　　氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學科交叉的研究內(nèi)容。要切實提高傳感器各方面的性能指標需要多學科、多領(lǐng)域研究工作者的協(xié)同合作。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計一直受到研究人員的關(guān)注。未來氣體傳感

33、器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作。具體表現(xiàn)如下: 　　氣敏材料的進一步開發(fā)一方面尋找新的添加劑對已開發(fā)的氣敏材料性能進行進一步提高；另一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術(shù)尋找性能更加優(yōu)越的氣敏材料。 　　新型氣體傳感器的開發(fā)和設(shè)計根據(jù)氣體與氣敏材料可能產(chǎn)生的不同效應設(shè)計出新型氣體傳感器。近年來表面聲波氣體傳感器、光學式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器等新型傳感器的開發(fā)成功進一步開闊了設(shè)計者的視野。目前仿生氣體傳感器也在研究中。 氣體傳感器傳感機理的進一步研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮，很有必要在理論上對它們的傳感機理進行深度的研究。只有機理明確了，下一步的工作才會少走彎路

34、。 　　氣體傳感器的智能化生產(chǎn)和生活日新月異的發(fā)展對氣體傳感器提出了更高的要求，氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)、模糊理論等多學科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。 　　仿生氣體傳感器的迅速發(fā)展　警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的＂電子鼻＂將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。  一氧化碳傳感器原理 科技名詞定義 中文名稱： 一氧化碳傳感器 英文名稱： carbon monoxide transducer

35、 定義： 將空氣中的一氧化碳濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應關(guān)系的輸出信號的裝置。 所屬學科： 煤炭科技（一級學科） ；礦山電氣工程（二級學科） ；煤礦監(jiān)測與控制（三級學科） 一、化學傳感器 　　一氧化碳傳感器屬于化學傳感器。化學傳感器主要由兩部分組成：識別系統(tǒng)；傳導或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 　　識別系統(tǒng)把待測物的某一化學參數(shù)（在這里是氣體濃度）與傳導系統(tǒng)連結(jié)起來。它主要具有兩種功能：選擇性地與待測物發(fā)生作用，把所測得的化學參數(shù)轉(zhuǎn)化成傳導系統(tǒng)可以產(chǎn)生響應的信號。 　　分子識別系統(tǒng)是決定整個化學傳感器的關(guān)鍵因素。因此，化學傳感器研究的主要問題就是分子識別系統(tǒng)的選擇以及如何把分子識別系統(tǒng)與

36、合適的傳導系統(tǒng)相連接。 　　化學傳感器的傳導系統(tǒng)接受識別系統(tǒng)響應信號，并通過電極、光纖或質(zhì)量敏感元件將響應信號以電壓、電流或光強度等的變化形式，傳送到電子系統(tǒng)（即調(diào)理電路）進行放大或進行轉(zhuǎn)換輸出，最終使識別系統(tǒng)的響應信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯苡米鞣治龅男盘枺瑱z測出樣品中待測物的量。 化學一氧化碳氣體傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)是由電極、過濾器、透氣膜、電解液、電極引出線（管腳）、殼體等部分組成。 二、一氧化碳電化學傳感器 一氧化碳電化學氣體傳感器可與報警器配套使用，是報警器中的核心檢測元件，它是以定電位電解為基本原理。當一氧化碳擴散到氣體傳感器時，其輸出端產(chǎn)生電流輸出，提供給報警

37、器中的采樣電路，起著將化學能轉(zhuǎn)化為電能的作用。當氣體濃度發(fā)生變化時，氣體傳感器的輸出電流也隨之成正比變化，經(jīng)報警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，以驅(qū)動不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測與報警功能，與相應的控制裝置一同構(gòu)成了環(huán)境檢測或監(jiān)測報警系統(tǒng)。 三、一氧化碳電化學傳感器基本工作原理 當一氧化碳氣體通過傳感器外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴散到工作電極表面上時，在工作電極的催化作用下，一氧化碳氣體在工作電極上發(fā)生氧化。其化學反應式為：。在工作電極上發(fā)生氧化反應產(chǎn)生的離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移到與工作電極保持一定間隔的對電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應。其化學反應式為： 。因此，傳感器內(nèi)部就發(fā)生了氧

38、化-還原的可逆反應。其化學反應式為：2CO+2O2 →2CO2。這個氧化-還原的可逆反應在工作電極與對電極之間始終發(fā)生著，并在電極間產(chǎn)生電位差。 但是由于在兩個電極上發(fā)生的反應都會使電極極化（見后解）這使得極間電位難以維持恒定，因而也限制了對一氧化碳濃度可檢測的范圍。 為了維持極間電位的恒定，我們加入了一個參比電極。在三電極電化學氣體傳感器中，其輸出端所反應出的是參比電極和工作電極之間的電位變化,由于參比電極不參與氧化或還原反應，因此它可以使極間的電位維持恒定（即恒電位），此時電位的變化就同一氧化碳濃度的變化直接有關(guān)。當氣體傳感器產(chǎn)生輸出電流時，其大小與氣體的濃度成正比。通過電極引出線

39、用外部電路測量傳感器輸出電流的大小，便可檢測出一氧化碳的濃度，并且有很寬的線性測量范圍。這樣，在氣體傳感器上外接信號采集電路和相應的轉(zhuǎn)換和輸出電路，就能夠?qū)σ谎趸細怏w實現(xiàn)檢測和監(jiān)控。 四、一氧化碳傳感器的應用 一氧化碳傳感器廣泛使用在礦山，汽車，家庭等空氣質(zhì)量安全檢測的地方。  電極的極化 [電極極化] electrode polarization； 電子導體與電解質(zhì)溶液接觸時，會形成電偶層，產(chǎn)生電位跳躍，這個電位跳躍便稱為電子導體與溶液接觸時的電極電位。當有外電場作用時，相對平衡的電極電位數(shù)值將發(fā)生變化。通常把在—定電流密度作用下的電極電位與相對平衡的電極電位的差值

40、，稱為電極極化。常見的有電化學極化、濃差極化等。由電極極化作用引起的電動勢叫做超電壓。 電極上有（凈）電流流過時，電極電勢偏離其平衡值，此現(xiàn)象稱作極化。根據(jù)電流的方向又可分為陽極化和陰極化。極化是指腐蝕電池作用一經(jīng)開始，其電子流動的速度大于電極反應的速度。在陽極，電子流走了，離子化反應趕不上補充；在陰極，電子流入快，取走電子的陰極反應趕不上，這樣陽極電位向正移，陰極電位向負移，從而縮小電位差，減緩了腐蝕。在通常情況下，可以使用一些緩蝕劑、添加到水溶液中促使極化的產(chǎn)生。這類添加的物質(zhì)，能促使陽極極化的叫陽極性緩蝕劑。能促使陰極極化的叫陰極性緩蝕劑。電流通過電極時，電極電勢偏離平衡電極電勢的現(xiàn)象

41、稱為電極的極化。極化導致電池在接入電路以后正負極間電壓的降低，也導致電鍍和電解槽在開始工作以后所需電壓的升高。這二者都是不利的，所以我們要盡量減小極化現(xiàn)象。陽極上析出電位（正值）要比理論析出電位更正；陰極上的析出電位要比理論析出電位更負，我們把實際電位偏離理論值的現(xiàn)象稱為極化，把實際析出電位與理論析出電位間的差值稱為超電位或過電位。 電極的去極化 凡是能減弱活消除極化過程的作用稱為去極化作用。在溶液增加去極劑的濃度、升溫、攪拌以及其它降低活化超電壓的措施都將促進陰極去極化作用的增強；陽極去極化作用是指減少或消除陽極極化的作用，例如攪拌、升溫等均會加快金屬陽離子進入溶液的速度，從而減弱陽極極

42、化。溶液中加入絡合劑或沉淀劑，它們會與金屬離子形成難溶解的絡合物或沉淀物，不僅可以使金屬表面附近溶液中金屬離子濃度降低，并能一定程度地減弱陽極電化學極化。如果溶液中加入某些活性陰離子，就有可能使已經(jīng)鈍化了的金屬重新處于活化狀態(tài)。顯然，從控制腐蝕的角度，總是希望如何增強極化作用用以降低腐蝕速度。但是對于電解過程，腐蝕加工，為了減少能耗卻常常力圖強化去極化作用。用作犧牲陽極保護的材料也是要求極化性能越小越好?！　? 電阻式金屬氧化物半導體傳感器原理 半導體電阻式氣體傳感器依靠某些金屬-氧化物半導體的表面電導率或體電導率隨周圍大氣中氧氣濃度而變的原理進行工作。1962年，塔古奇創(chuàng)辦了Figa

43、ro Engineering公司，該公司在1968年便開始銷售首批金屬-氧化物半導體傳感器-TGS（Taguchi傳感器氣體）。 半導體氧化物的晶體具有一些缺陷，通常為氧離子空位。在高于700℃左右的溫度下，從大氣中吸附和吸收的O2分子離解，通過從金屬氧化物中奪取電子而形成，因而降低了電導率。氧化物的電導率與氧氣分壓強之間的關(guān)系具有下列形式： TGS系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體，最常用的如Sn02。金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正

44、的空間電荷層，導致表面勢壘(勢壘（Potential Engergy Barrier）就是勢能比附近的勢能都高的空間區(qū)域，基本上就是極值點附近的一小片區(qū)域)升高，從而阻礙電子流動(見圖1)。 在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微品粒的結(jié)合部位(晶界)才能形成流由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在上作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低(圖2和圖3)。導致傳感器的阻值減小。 在給定的上作條件下和適當?shù)臍怏w濃度范圍內(nèi)，傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關(guān)系可近似由

45、下面方程表示: 其中:Rs:傳感器電阻 A:常數(shù) C:氣體濃度 a : Rs曲線的斜率 如何選擇氣體傳感器 1．根據(jù)測量對象與測量環(huán)境 　　根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行

46、研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 2．靈敏度的選擇 　　通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3．響應特性 （反應

47、時間） 　　傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 4．線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。