氣體傳感器的分類與工作原理淺探

雷菊華,方志兵

（重慶市經(jīng)貿(mào)中等專業(yè)學(xué)校,重慶 402160）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一的傳感器技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665-87)中傳感器定義為“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。它與人類的感官相對(duì)應(yīng)，可分為光敏傳感器（視覺(jué)）、聲敏傳感器（聽覺(jué)）、氣敏傳感器（嗅覺(jué)）、化學(xué)傳感器（味覺(jué)）和壓敏、溫敏、流體等傳感器（觸覺(jué)）。

氣體傳感器以氣敏器件為核心組成，在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用相當(dāng)于人類的鼻子，將氣體種類、濃度等參量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出。對(duì)氣體傳感器的基本性能要求是：

（1）較好的選擇性，不受其他氣體干擾，能按要求檢測(cè)出氣體濃度；

（2）可以重復(fù)多次使用，使用壽命較長(zhǎng)和穩(wěn)定性好；

（3）能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

由于不同氣體具有不同性質(zhì)，為了能檢測(cè)不同種類的氣體，所需的氣體傳感器的種類也就比較多。

按被測(cè)氣體的性質(zhì)分為：（1）檢測(cè)氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發(fā)氣等易燃易爆氣體的傳感器；（2）檢測(cè)如氯氣、硫化氫、砷烷等有毒氣體的傳感器。（3）檢測(cè)工業(yè)過(guò)程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳。（4）檢測(cè)甲醛、臭氧等大氣污染的傳感器。

根據(jù)氣敏材料及作用效應(yīng)可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器等。

根據(jù)作用原理可將氣體傳感器可分為：（1）電學(xué)類氣體傳感器，利用氣敏材料的電學(xué)參量反映氣體濃度的變化。（2）光學(xué)類氣體傳感器，利用氣體的光學(xué)特性來(lái)檢測(cè)氣體成分和濃度。（3）高分子氣敏材料氣體傳感器。（4）電化學(xué)類氣體傳感器。

此外，按傳感器的輸出可分為電阻式和非電阻式；按氣體傳感器的結(jié)構(gòu)還可分為干式和濕式。

較為常見的幾種氣體傳感器件的工作原理和特性分析如下：

1 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器

電阻式氣體傳感器是由氣體分子引起氣敏材料阻值的變化，目前已研發(fā)出單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料，這是除了傳統(tǒng)的SnO、SnO2和Fe2O3材料以外的一批新型材料。非電阻式氣體傳感器是一類較為常見的半導(dǎo)體氣敏器件，它利用了敏感氣體會(huì)改變MOSFET開啟電壓的原理，這類器件使用簡(jiǎn)單方便，無(wú)需設(shè)置工作溫度，穩(wěn)定性好，靈敏度較高，易集成，市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛，但選擇性有待改善。

2 催化燃燒式氣體傳感器

此類傳感器采用惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與周圍的可燃?xì)怏w發(fā)生無(wú)焰燃燒，感應(yīng)電阻變化的阻值使電橋平衡被打破，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、穩(wěn)定和處理，變?yōu)榭煽康囊鬃x的數(shù)值顯示出來(lái)。這類氣體傳感器響應(yīng)快，受溫度和濕度影響小，而且價(jià)格便宜，廣泛用于檢測(cè)氫氣、甲烷以及部分有機(jī)溶劑蒸氣。但是這類傳感器只可檢測(cè)可燃性氣體，選擇性也有待改善。

3 固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)作為氣體傳感器時(shí)類似一種電池。這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，廣泛應(yīng)用在石化、環(huán)保、礦業(yè)、食品等各個(gè)領(lǐng)域。

4 電化學(xué)式氣體傳感器

此類氣體傳感器有四種類型：電量式、原電池式、定電位電解式和離子電極式。定電位式傳感器需要由外界施加特定電壓，然后通過(guò)測(cè)量電解電流來(lái)檢測(cè)氣體的濃度，能檢測(cè)CO、O2等多種氣體。電量式氣體傳感器通過(guò)測(cè)量被測(cè)氣體與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的電流來(lái)確定氣體濃度的。離子電極式氣體傳感器通過(guò)測(cè)量離子極化電流來(lái)確定氣體濃度。此類氣體傳感器檢測(cè)氣體的靈敏度高，選擇性好，但需要經(jīng)常標(biāo)定，且使用壽命短。

5 光學(xué)式氣體傳感器

紅外吸收型氣體分析儀就是一種光學(xué)式氣體傳感器，該分析儀通過(guò)測(cè)量和分析不同氣體吸收紅外線所產(chǎn)生的不同紅外吸收峰來(lái)確定氣體種類及濃度。此類氣體傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)，但是價(jià)格偏高。

6 石英振子式氣體傳感器

此類氣體傳感器的核心是石英振子微秤（QCM），它由石英振動(dòng)盤和兩個(gè)電極構(gòu)成，其中石英振動(dòng)盤直徑為數(shù)微米，盤上淀積了有機(jī)聚合物，吸附氣體后的聚合物會(huì)使器件質(zhì)量增加。給器件加上振蕩信號(hào)，于是在其特征頻率內(nèi)發(fā)生共振，增加質(zhì)量的器件會(huì)降低石英振子的共振頻率，由此測(cè)定共振頻率的變化就能識(shí)別氣體種類及濃度。

7 聲表面波(SAW)氣體傳感器

由于聚異丁烯等材料能吸附具有揮發(fā)性的有機(jī)化合物（VOC），吸附后使傳感器件質(zhì)量增加，聲波在該材料表面?zhèn)鞑r(shí)，其傳播速度、振動(dòng)頻率就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，由此可測(cè)量聲波頻率的變化來(lái)識(shí)別氣體濃度。此類氣體傳感器靈敏度高、檢測(cè)限低、體積小，可測(cè)量苯乙烯、甲苯等有機(jī)物的蒸汽，但只能在室溫工作，且對(duì)氣體的選擇性是由敏感材料決定的。

[1]陳長(zhǎng)倫等.電化學(xué)式氣體傳感器研究進(jìn)展[J].傳感器世界，2004(04):11-15.

[2]吳玉鋒等.氣體傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展方向[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11(10):731-734.