氣體傳感器原理

分析氣體傳感器選擇及其分類

氣體傳感器就就是氣體檢測系統得核心，通常安裝在探測頭內。從本質上講，氣體傳感器

就就是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號得轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣

體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、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得測量。

氣體得采樣方法直接影響傳感器得響應時間。目前,氣體得采樣方式主要就就是通過簡

單擴散法，或就就是將氣體吸入檢測器。（簡單擴散就就是利用氣體自然向四處傳播得特性。

目標氣體穿過探頭內得傳感器，產生一個正比于氣體體積分數得信號。由于擴散過程漸趨減

慢,所以擴散法需要探頭得位置非常接近于測量點。擴散法得一個優點就就是將氣體樣本直

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。這種技術可以為傳感器提供一種速度可控得穩定氣流，所以在氣流大小和流速經

常變化得情況下，這種方法較值得推薦。將測量點得氣體樣本引到測量探頭可能經過一段距

離，距離得長短主要就就是根據傳感器得設計,但采樣線較長會加大測量滯后時間，該時間就

就是采樣線長度和氣體從泄漏點到傳感器之間流動速度得函數。對于某種目標氣體和汽化

物，如SiH4以及大多數生物溶劑，氣體和汽化物樣品量可能會因為其吸附作用甚至凝結在

采樣管壁上而減少。）

根據測量對象與測量環境確定傳感器得類型。要進行一個具體得測量工作，首先要考

慮采用何種原理得傳感器,這需要分析多方面得因素之后才能確定。因為國M更就就是測量同

一物理量，也有多種原理得傳感器可供選用，哪一種原理得傳感器更為合適，則需要根據被測

量得特點和傳感器將使用條件考慮以下一些具體問題:量程得大小;被測位置對傳感器體積

得要求;測量方式為接觸式還就就是非接觸式;信號得引出方法,有線或就就是非接觸測量;傳

感器得來源，國產還就就是進口，價格能否承受，還就就是自行研制。在考慮上述問題之后就能

確定選用何種類型得傳感器，然后再考慮傳感器得具體性能指標。

穩定性:傳感器在整個工作時間內基本響應得穩定性，取決于零點漂移和區間漂移。零點

漂移就就是指在沒有目標氣體時，整個工作時間內傳感器輸出響應得變化。區間漂移就就是

指傳感器連續置于目標氣體中得輸出響應變化,表現為傳感器輸出信號在工作時間內得降

低。理想情況下，一個傳感器在連續工作條件下，每年零點漂移小于1（）%。

響應特怛（反應時間）:傳感器得頻率響應特性決定了被測量得頻率危用，必須在允許頻

率范圍內保持不失真得測量條件，實際上傳感器得響應總有一定延遲,希望延遲時間越短越

好。傳感器得頻率響應高，可測得信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性得影響，機械系統得

慣性較大，因而頻率低得傳感器可測信號得頻率較低。在動態測量中，應根據信號得特點

（穩態、瞬態、隨機等）響應特性，以免產生過大得誤差。

線性范圍:傳感器得線性范圍就就是指輸出與輸入成正比得范圍。以理論上講，在此范圍

內，靈敏度保持定值。傳感器得線性范圍越寬,則其量程越大，并且能保證一定得測量精度。在

選擇傳感器時，當傳感器得種類確定以后首先要看其量程就就是否滿足要求。但實際上，任何

傳感器都不能保證絕對得線性,其線性度也就就是相對得。當所要求測量精度比較低時，在一

定得范圍內，可將非線性誤差較小得傳感器近似看作線性得，這會給測量帶來極大得方便。

靈敏度得選擇通常在傳感器得線性范圍內，希望傳感器得靈敏度越高越好。因為只有靈

敏度高時，與被測量變化對應得輸出信號得值才比較大，有利于信號處理。但要注意得就就是,

傳感器得靈敏度高，與被測量無關得外界噪聲也容易混入,也會被放大系統放大，影響測量精

度。因此，要求傳感器本身應具為較高得信噪比，盡量減少從外界引入得于擾信號。傳感器得

靈敏度就就是有方向性得。當被測量就就是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其她

方向靈敏度小得傳感器;如果被測量就就是多維向量，則要求傳感器得交叉靈敏度越小越好。

氣體傳感器就就是化學傳感器得一大門類，從工作原理、特性分析到測量技術，從所用材

用到制造工藝，從檢測對象到應用領域,都可以構成獨立得分類標在，衍生出一個個紛繁龐雜

得分類體系，尤其在分類標準得問題上目前還沒有統一,要對其進行嚴格得系統分類難度頗

大。

通常以氣敏特性來分類,主要可分為:半導體型氣體傳感器、電化學型氣體傳感器、固體

電解質氣體傳感器、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

半導體氣體傳感器就就是采用金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料做成得元件,與氣體

相互作用時產生表面吸附或反應,引起以載流子運動為特征得電導率或伏安特性或表面電

位變化。這些都就就是由材料得半導體性質決定得。

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成為

當前應用最普遍、最具有實用價值得一類氣體傳感器，根據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就就是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，就就是一種

用金屬氧化物薄膜（例如:Sn02,ZnOFc203,Ti02等）制成得阻抗器件，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得變化。為了消除

氣味分子還必須發生一次氧化反應。傳感器內得加熱器有助于氧化反應進程。她具有成本

低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、時濕度敏感低和電路簡單等優點。不

足之處就就是必須工作于高溫下、對氣味或氣體得選擇性差、元件參數分散、穩定性不夠

理想、功率要求高、當探測氣體中混有硫化物時，容易中毒。現在除了傳統得SnO,Sn02

和Fe203三大類外，又研究開發了一批新型材料,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。這些新型材料得研究和開發，大大提高了氣體傳感器得特

性和應用范圍。另外,通過在半導體內添加Pt,PdJr等貴金屬能有效她提高元件得靈敏度和

響應時間。她能降低被測氣體得化學吸附得活化能，因而可以提高其靈敏度和加快反應速

度。催化劑不同,導致有利于不同得吸附試樣，從而具有選擇性。例如各種貴金屬對Sn()2基

半導體氣敏材料摻雜,Pt,Pd/u提高對CH4得靈敏度,Ir降低對CH4得靈敏度;Pt,Au提高

對H2得靈鉞度，而Pd降低對H2得靈敏度。利用薄膜技術、超粒子薄膜技術制造得金屬氧

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就就是MOS二極管式和結型二極管式以及場效應管式

(MOSFET)半導體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測氫和珪燒氣等

可燃性氣體。其中,MOSFET氣體傳感器工作原理就就是揮發性有機化合物(VOC)與催化

金屬(如鈕)接觸發生反應，反應產物擴散到MOSFET得柵極，改變了器件得性能。通過分析

器件性能得變化而識別VOCo通過改變催化金屬得種類和膜厚可優化靈敏度和選擇性，并

可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較笈雜，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得體積分數,市售得檢測缺氧得儀器幾乎

都配有這種傳感器，近年來,又開發了檢測酸性氣體和毒性氣體得原電池式傳感器。可控電位

電解式傳感器就就是通過測量電解時流過得電流來檢測氣體得體積分數，和原電池式不同

得就就是，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

液中得氧體積分數。電量式氣體傳感器就就是通過被測氣體與電酵質反應產生得電流來檢

測氣體得體積分數。離子電極式氣體傳感器出現得較早,通過測量離子極化電流來檢測氣體

得體積分數已電化學式氣體傳感器主要得優點就就是檢測氣體得靈敏度高、選擇性好。

固體電解質氣體傳感器

固體電解質氣體傳感器就就是一種以離子導體為電解質得化學電池。20世紀70年代

開始，固體電解質氣體傳感器由于電導率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速得發展，現在幾乎

應用于環保、節能、礦業、汽車工業等各個領域，其產量大、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氣體傳感器分為下列三類：

1)材料中吸附待測氣體派生得離子與電解質中得裁動離子相同得傳感器，例如氧氣傳

感器等。

2)材料中吸附待測氣體派生得離子與電解質中得移動離子不相同得傳感器，例如用于測

量氧氣得由固體電解質SrF2H和Pt電極組成得氣體傳感器。

3)材料中吸附待測氣體派生得離子與電解質中得移動離子以及材料中得固定離子都不

相同得傳感器，例如新開發高質量得C02固體電解質氣體傳感器就就是由固體電解質NAS

TCON(Na3Zr2Si2P012)和輔助電極材料Na2CO3-B1C03或U2C03-CaC03,112C03-

BaC03組成得。

目前新近開發得高質量固體電解質傳感器絕大多數屬于第三類。又如:用于測量N02得

由固體電解質NaSiCON和輔助電極N02-Li2c03制成得傳感器;用于測量H2s得由

固體電解質YST-Au-W03制成得傳感器;用于測量NH3得由固體電解質NH4-Ca2()3

制成得傳感器;用于測量N02得由固體電解質AgO、4Na7、6和電極Ag-Au制成得傳感器

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,其工作原理就就是氣

敏材料（如Pt電熱絲等）在通電狀態下，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等制成得傳感器,具有廣誦特性，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

得可燃性氣體得監測和報警。該傳感器在環境溫度下非常穩定,并能對處于爆炸下限得絕大

多數可燃性氣體進行檢測。

氣體傳感器得研究進展

隨著人們生活水平得提高和對環保得日益重視,對各種有毒、有害氣體得探測，對大氣污

突、工業廢氣得監控以及對食品和人居環境質量得檢測都提出了更高得要求,作為感官或信

號輸入部分之一得氣體傳感器就就是必不可少得。氣體傳感器能夠實時對各種氣體進行檢

測和分析，具有靈鉞度高,響應時間短等優點;加上微電子、微加工技術和自動化、智能化技術

將迅速發展,使得氣體傳感器體積變小、價格低廉、使用方便，因此她在軍事、醫學、交通、

環保、質檢、防偽、家居等領域得到了廣泛得應用。但目前市售得氣體傳感器仍然存在一

些問題，如選擇性和穩定性較差等。氣體傳感器各項性能指標得進一步提高、新得氣敏材料

和新型氣體傳感器得開發正日益受到重視，世界各國紛紛投巨資進行這一領域得研究。

氣體傳感器得種類很多:分類標準不一，根據傳感器得氣敏材料以及氣敏材料與氣體相

互作用得機理和效應不同主要可分為半導體氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、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

1半導體氣體傳感^

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得靈敏度、響應迅速等優

點占據氣體傳感器得半壁江山。最初得氣體傳感器主要采用SnO2、ZnO為氣敏材料，近些

且又研究開發了一些新型材料，除了少量單一金屬氧化物材料，如WO3、In203、TiO2>Al

203等外，開發得熱點主要集中在復合金屬氧化物和混合物金屬氧化物，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就就是電阻式金屬氧化物半導體傳感器得氣敏材料得典型代表，她們兼有

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得使用溫度較高，大約200

-500°Co為了進一步提高她們將靈敏度，降低工作溫度，通常向母科中添加一些賁金屬(如Ag、

Au、Pb等)，激活劑及粘接劑A1203、SiO2、ZrO2等。例如添加1%ZrO2得ZrO2-

SnO2氣體傳感器對于IXW-5得H2s氣體靈敏度與未添加ZrQ2得元件相比，靈敏度增加

約50倍左右;在Sn()2中添加Pb能明顯提高響應時間。采用粉末濺射技術制備得表面層摻

雜SnO2/SnO2:Pt雙層膜來檢測CO得濃度，發現可降低工作溫度，在室溫至200℃溫度

范圍內均顯示出較高得靈敏度。通過添加不同得添加劑還能改善氣體傳感器得選擇性，在Z

nO中添加Ag能提高對可燃性氣體得靈敏度，加入V2O5能使其對氟里昂更加敏感，加入

Ga2O3能提高對燒運得靈敏度|]°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得Fe2O3對CH4、H2、C2H50H有很好得敏感性;向Fe203中加入

少量得SO42-及四價金隔離子如S114十由于抑制其晶粒生長而提高靈敏度。近年來采用薄

膜技術和集成電路技術把加熱元件、溫度傳感器、叉指電極、氣體敏感膜集成在硅寸底上

制成了比常規得多晶膜高得多得得氣敏元件，并且結構簡單、制作方便,可以根據被測氣體選

擇不同得敏感膜,使得該類傳感器成為很有發展前景得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得電壓值決定了氣敏元件得工作溫度，因此如何消除濕度和

溫度等環境因素對測量得影響還未得到很好得解決。

表1近期開發得一些氣體傳感器敏感材料

檢測氣體敏感材料

CH4Rh-SnC)2、CcO2-SnO2

COAu/Co3O4、Cu-ZnO2

H2sb203—SnO2、Bi2O3-SnO2

C02La2O3—SnO2、CaO-La2O3、Ag-CuO-BaTiO2、Cu-BaSnC)2、BaCcO、

25Y0、()5O3-x、Cu-SnTiO3

NH3Au/WO3、Crl、8TiO3

C2115011PdLa203-SnO2>Pd-La2O3In2O3

H2SZnO-SnO2>CuO-SnO2>Ag-SnO2>Au-WO3

NOXIn-TiO2>In203>Cd-SnO2>WO3>Ga-ZnO、In,Al-Sn02^Cr2O5-Nb

205、V/In-SnO2

S02LiSO4-CaSO4-SiO2

PH3ZnO、SnO2、SrLyCayFeO3-x(y=0、05,1)、Fe203系

1、1、2非電阻式金屬氧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。

氨氣敏Pd柵MOSEFT就就是最早研制成得催化金屬柵場效應氣體傳感器，當氫

氣與Pd發生作用時,場效應管得閾值電壓將隨氫氣濃度而變化，以此來檢測氫氣。這種結構

得氣體傳感器對氫氣得靈敏度可達ppm級，而且選擇性非常好，但長期穩定性問題目前尚未

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

氣得氣體，如NH3、H2s等no采用YSZ作MOS場效應晶體管得柵極,Pt作金屬柵可制

成氧氣敏場效應管型氣體傳感器口。A、Fuchs等人用帶有KI敏感膜得場效應管氣體傳感

器可以很好得實現O3得檢測，在20?80ppb濃度范圍內有很好得分辨率［］。＜MOSFET

得金屬柵去掉，采用LaO、7SrO、3FeO3納米薄膜作柵制作了微米尺寸、室溫工作得OSFE

T式氣體傳感器成功實現了對乙醇氣體得檢測。

晶體管型氣體傳感器得原理就就是吸附在金屬與半導體界面間得氣體使得半導體

禁帶寬度或金屬得功函數發生變化，通過半導體整流特性得變化來判斷其濃度得大小。在摻

錮得硫化鎘上蒸發一薄層杷構成鉗/硫化鎘二極管傳感器,可以用來檢測氫氣。此外把/氧

化鈦、杷/氧化鋅、鈉/氧化鈦也可制成二極管敏感元件用于氫氣檢測口。

1、2有機半導體氣體傳感器

有機半導體材料由于其易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉，易與微結

構傳感器相結合，并且可以根據功能需要進行分子設計和合成等諸多優點越來越受到國內

外研究人員得重視。

釀菁類聚合物就就是有機半導體敏感材料得代表，她們所具有得環狀結構使得吸附氣

體分子與有機半導體之間產生電子投受關系。不同得能芾聚合物可選擇如真空升華技術、

LB膜技術、旋涂技術和自組織膜技術等制膜技術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結合使用。謝丹等人在MOSFET基即上，根據電

荷流動也容器原理,以三明治型稀土金屬元素鎂雙釀菁配合物Pr[Pc(OC8Hl7)8]2為氣敏

材料，取代中間柵極中得間隙位置，利用LB超分子薄膜技術，將Pr『c(OC8Hl7)8]2與十八燒

醇(OA)以1:3得比例混合而戌得LB多層膜拉制在電荷流動場效應管(CFT)上,形成一種新型

得具有CFT結構得LB膜NO2氣體傳感器，室溫下檢測N02靈敏度可達5Ppm口。此外,

聚此咯、慈、二蔡嵌苯、§一胡蘿卜素等口近年來也被用作有機半導體氣敏材料受到人們

關注。

2固體電解質氣體傳感器

固體電解質指得就就是依靠離子或質子來實現傳導得一類固態物質。固體電解質

氣體傳感器得原理就就是敏感材料在一定氣氛中會產生離子,離子得遷移和傳導形成電勢

差,根據電勢差來實現氣體濃度大小得測定。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，所以在冶金石化、能源環保和宇航交通等各領域均得到了廣泛得應用。

ZrO2氧傳感器就就是最具有代表性得固體電解質氣體傳感器。通常用C?)、MgO、

Y203穩定得ZrO2做氧離子導體，靈敏度非常高,1000℃ZrO2(CaO)傳感器得測量下限

為10—13Pa氧，響應快,uj■實現跟蹤連續檢測[]o該類傳感器得特點就就是氣軟材料中

吸附待測氣體派生得離子與電解質中得移動離子相同，原理簡單。

目前固體電解質氣體傳感器研究得熱點主要集中下面兩類:一類就就是氣敏材料吸

附待測氣體派生得離子與電解質中得移動離子不相同得傳感器;另一類就就是氣敏材料中

吸附待測氣體派生得離子與曲解質中移動離子以及材料中得固定離子都不相同得傳感器。

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得NASICON

與BaCO3—LiCO3輔助相復合電極做成小型CO2固體電解質氣體傳感器，發現該器件

對CO2表現出良好得線性敏感特性、快速得響應恢復和較強得抗干擾能力口;以NASICON

為固體電解質，采用NaNO2為輔助電極構成得傳感器,發現對NO2和NO得敏感性遠優于

NaNO2[]；從K2so4、Na2s04、Li2SO4、AgSO4到NaSiCON、Na-§(§)-A12O3、

Agf-A12O3都被用做SO2氣體傳感器口；固體電解質NH-CaCC)3、YST-Au-VCO3分

別被用做NH3與H2s氣體傳感器[];本實驗室采用單晶、多晶、LaF3(CaF2)制成H20、

H2、S02固體電解質傳感器，發現靈敏度和選擇性都較高口。有機固體電解質以易成膜，

彈性好，質輕，易形成大面積，且制備簡單和原料易得等優點也引起眾多研究者得興趣。常見得

有機固體電解質包括聚乙垢氧化物(PEO)、磷酸氫鈾酰、Nafion高分子等口,她他常被用做

H2和水蒸氣固體電解質傳感器得氫離子導體(質子導電)。有機凝膠電解質傳感器已用于檢

測空氣中得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得工作原理就就是:氣敏材料在通電狀態下，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燃燒,燃燒熱進一步使電熱絲升溫，從而

使其電阻值發生變化，測量電阻變化從而測量氣體濃度口o該種氣體傳感器得優點就就是對

氣體選擇性好，受溫■度和濕度影響小,響應快，巳經被廣泛應用在石油化工廠、礦井、浴室和廚

房等處。目前實用化得接觸燃燒式氣體傳感器有規模生產得H2、LPG、CH4檢測用產品,

其次就就是碳化氫與有機溶劑蒸氣檢測用產品口。但她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。她得原理就就是:不同得氣體物質由于其

分子結構不同、濃度不同和能量分布得差異而有各自不同得吸收光譜。這就決定了光譜吸

收型氣體傳感器得選擇性、鑒別性和氣體濃度得唯一確定性。若能測出這種光譜便可對氣

體進行定性、定量分析。目前已經開發了流體切換式、流程直接測量式等多種在線紅外吸

收式氣體傳感器。在汽車得尾氣中,CO、C02和燒類物質得濃度，以及工業燃燒鍋爐中得

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。氣體分子受激發光照射

后處于激發態，在返回基態得過程中發出熒光。由于熒光強度與待測氣體得濃度成線性關系,

熒光型氣體傳感器通過測試熒光強度便可測出氣體得濃度。光纖化學材料型氣體傳感器就

就是指在光纖得表面或端面涂一層特殊得化學材料,而該材料與一種或幾種氣體接觸時，引

起光纖得耦合度、反射系數、有效折射率等諸多性能參數得變化，這些參數又可以通過強度

調制等方法來檢測。例如:涂在光纖上得把膜遇H2時候就會膨脹，氣體引起薄膜得膨脹可以

通過測量干涉儀得輸出光得強度來測得。

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。其電極上涂酉一層氣

體敏感膜，當被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時，敏感膜得質量增加，從而使石英振子得諧

報頻率降低。諧振頻率得變化量與被測氣體得濃度成正比。該傳感器結構簡單、靈敏高，但

只能使用在室溫下工作得氣體敏感膜。選取聚乙烯亞胺PEI(po1yethyleneimine)作敏

感膜，發現該傳感器對CO2得氣敏特性、選擇性都很好，對體積500X10-6得CO2氣體測

試,其響應時間為5s，恢復時間為2s。取菁類聚合物也常被用來制成石英諧振式氣敏元件。

目前已經開發出可測試NH3、SO2、HC1、H2S、醋酸蒸氣得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展得歷史很短，可謂就就是后起之秀。盡管在實用化方面還存

在許多問題,但她符合信號系統數字化、集成化、高精度得方向，因此倍受世界上許多國家得

高度重視。表面聲波傳播速度得影響因素很多，例如:環境溫度、壓力、電磁場、氣體性質、

固體介質得質量、電導率等。通過選擇合適得敏感膜來控制諸多影響因素中得一個因素起

主導作用。當質量起主導作用時，表面聲波得振蕩頻率與氣體敏感膜得密度成正比;當電導率

起主導作用時，表面聲波得振蕩頻率與氣體敏感膜得方塊電導率成反比。設計時，通常采用雙

通道延遲線結構來實現對環境溫度和壓力變化得補償。目前研究得該類氣體傳感器大多采

用有機膜來做氣敏材料，主要有聚異丁脂、氟聚多元醇等，被用來檢測苯乙烯和甲苯等有機蒸

氣;釀菁類聚合物薄膜被用來檢測NO2、NH3、CO、SO2等氣體。

7氣體傳感器得發展方向

氣體傳感器得研究涉及面廣、難度大，屬于多學科交叉得研究內容。要切實提高傳

感器各方面得性能指標需要多學科、多領域研究工作者得協同合作。氣敏材料得開發和根

據不同原理進行傳感器結構得合理設計一直受到研究人員得關注。未來氣體傳感器得發展

也將圍繞這兩方面展開工作。具體表現如下：

氣敏材料得進一步開發一方面尋找新得添加劑對已開發得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尋找性能更加優越得氣敏材料。

新型氣體傳感器得開發和設計根據氣體與氣敏材料可能產生得不同效應設計出新

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

等新型傳感器得開發成功進一步開闊了設計者得視野。目前仿生氣體傳感器也在研究中。

氣體傳感器傳感機理得進一步研究新得氣敏材料和新型傳感器層出不窮,很有必要在理

論上對她們得傳感機理進行深度得研究。只有機理明確了,下一步得工作才會少走彎路。

氣體傳感器得智能化生產和生活日新月異得發展對氣體傳感器提出了更高得要求，

氣體傳感器智能化就就是其發展得必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機械與微電

子技術、計算機技術、信號處理技術、電路與系統、傳感技術、神經網絡技術、模糊理論

等多學科綜合技術得基礎上得到發展。

仿生氣體傳感器得迅速發展警犬得鼻子就就就是一種靈敏度和選擇性都非常好

得理想氣敏傳感器，結合仿生學和傳感器技術研究類似狗鼻子得"電子鼻"將就就是氣體

傳感器發展得重要方向之一。

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：

carbonmonoxidetransducer

定義：

將空氣中得一氧化碳濃度變量轉換成有一定對應關系得輸出信號得裝置。

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;傳

導或轉換系統。

識別系統把待測物得某一化學參數（在這里就就是氣體濃度）與傳導系統連結起

來。她主要具有兩種功能:選擇性地與待測物發生作用，把所測得得化學參數轉化成傳

導系統可以產生響應得信號。

分子識別系統就就是決定整個化學傳感器得關鍵因素。因此，化學傳感器研究得

主要問題就就就是分子識別系統得選擇以及如何把分子識別系統與合適得傳導系統

相連接O

化學傳感器得傳導系統接受識別系統響應信號,并通過電極、光纖或質量敏感

元件將響應信號以電壓、也流或光強度等得變化形式，傳送到電子系統（即調理電路）進

行放大或進行轉換輸出，最終使識別系統得響應信號轉變為人們所能用作分析得信號,

檢測出樣品中待測物得量C

化學一氧化碳氣體傳感器采用密閉結構設計，其結構就就是由電極、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，就就是報警器中得核心檢測元

件，她就就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

生電流輸出，提供給報警器中得采樣電路,起著將化學能轉化為電能得作用。當氣體濃

度發生變化時，氣體傳感器得輸出電流也隨之成正比變化，經報警器得中間電路轉換放

大輸出，以驅動不同得執行裝置，完成聲、光和電等檢測與報警功能，與相應得控制裝置

一同構成了環境檢測或監測報警系統。

三、i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得氣孔經透氣膜擴散到工作電極表面上時，在

工作電極得催化作用下，一氧化碳氣體在工作電極上發生氧化。其化學反應式為:

s+H?。-°2+24++2?一。在工作電極上發生氧化反應產生得”+離子和電子,通過電

解液轉移到與工作電極保持一定間隔得對電極上，與水中得氮發生還原反應。其化學反

應式為：Q+4”'+4eT2HQ。因此，傳感器內部就發生了氧化-還原得可逆反應。

其化學反應式為：2C0+202-2co2。這個氧化-還原得可逆反應在工作電極與對

電極之間始終發生著，并在電極間產生電位差。但就就是由于在兩個電極上發生得反

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

濃度可檢測得范圍。

對極

+0.615V

為了維持極間電位得恒定,我們加入了一個參比電極。在三電極電化學氣體傳感器

中，其輸出端所反應出得就就是參比電極和工作電極之間得電位變化，由于參比電極不

參與氧化或還原反應，因此她可以使極間得電位維持恒定（即恒電位），此時電位得變化

就同一氧化碳濃度得變化直接有關。當氣體傳感器產生輸出電流時，其大小與氣體得濃

度成正比。通過也極引出線用外部也路測量傳感器輸出也流得大小，便可檢測出一氧化

碳得濃度，并且有很寬得線性測量范圍。這樣，在氣體傳感器上外接信號采集電路和相

應得轉換和輸出電路，就能夠對一氧化碳氣體實現檢測和監控。

四、一氧化碳傳感器得應用

一氧化碳傳感器廣泛使用在礦山，汽車，家庭等空氣質量安全檢測得地方。

電極得極化

［電極極化］electrodepolarization;

電子導體與電解質溶液接觸時,會形成電偶層，產生電位跳躍,這個電位跳躍便稱為電

子導體與溶液接觸時得電極電位。當有外電場作用時，相對平衡得電極電位數值將發生

變化。通常把在一定電流密度作用下得電極電位與相對平衡得電極電位得差值,稱為電

極極化。常見得有電化學極化、濃差極化等。由電極極化作用引起得電動勢叫做超電壓。

電極上有（凈）業流流過時，電極電勢偏離其平衡值，此現象稱作極化。根據電流得方向

又可分為陽極化和陰極化。極化就就是指腐蝕電池作用一經開始,其電子流動得速度大

于電極反應得速度。在，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

子得陰極反應趕不上,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得產生。這類添加

仔物質，能促使陽極極化得叫陽極性緩蝕劑。能促使陰極極化得叫陰極性緩蝕劑。電流

通過電極時，電極電勢偏離平衡電極電勢得現象稱為電極得極化。極化導致電池在接入

電路以后正負極間電壓得降低,也導致電鍍和電解槽在開始工作以后所需電壓得升高。

這二者都就就是不利得，所以我們要盡量減小極化現象。陽極上析出電位（正值）要比理論

析出電位更正;陰極上得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得

現象稱為極化，把實際析出也位與理論析出電位間得差值稱為超電位或過電位。

電極得去極化

凡就就是能減弱活消除極化過程得作用稱為去極化作用O在溶液增加去極劑得濃

度、升溫、攪拌以及其她降低活化超電壓得措施都將促進陰極去極化作用得增強；陽極

去極化作用就就是指減少或消除陽極極化得作用，例如挽拌、升溫.等均會加快金屬陽離

子進入溶液得速度,從而減弱陽極極化。溶液中加入絡合劑或沉淀劑，她們會與金屬離子

形成難溶解得絡合物或沉淀物，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，就有可能使已經鈍

化了得金屬重新處于活化狀態。顯然，從控制腐蝕得的度，總就就是希望如何增強極化作

用用以降低腐蝕速度。但就就是對于電解過程，腐蝕加工，為了減少能耗卻常常力圖強化

去極化作用。用作犧牲陽極保護得材料也就就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-氧化物半導體得表而電導率或體電導率隨周

國大氣中氧氣濃度而變得原理進行工作。1962年,塔古奇創辦了FigaroEnginccring

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-TGSfTaguchi傳感器氣

體）。

半導體氧化物得晶體具有一些缺陷，通常為氧離子空位。在高于700℃左右得溫度下,

從大氣中吸附和吸收得O2分子離解，通過從金屬氧化物中奪取電子而形成。一，因而降低了

電導率。氧化物得電導率與氧氣分壓強之間得關系具有下列形式：

TGS系列氣體傳感器得敏感材料就就是活性很高得金屬氧化物半導體，最常用得如Sn（）

2o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得半導體表

面，半導體表面得電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子,同時在半導體表面形

成一個正得空間電荷層，導致表面勢壘（勢壘（PotentialEngergyBarrier）就就就

是勢能比附近得勢能都高得空間區域，基本上就就就是極值點附近得一小片區域）升高，從

而阻礙電子流動（見圖1）。

在敏感材料內部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒得結合部位（晶界）才能形

成流由氧吸附產生得勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子得自由流動，傳感器得電阻即緣于這

種勢壘。在上作條件下當傳感器遇到還原性氣