氣敏傳感器的類型：常見的氣體傳感器種類
原標(biāo)題：常見的氣體傳感器種類
可燃?xì)怏w和有毒氣體是石油化工、天然氣加工等特殊工業(yè)場(chǎng)合最常見的危險(xiǎn)氣體，主要包括烷烴等有機(jī)氣體和一氧化碳等無機(jī)氣體。隨著石油和天然氣行業(yè)開發(fā)步伐不斷擴(kuò)大，安全成為這些行業(yè)的頭等大事，有毒有害氣體檢測(cè)儀器的作用也越來越大。
氣體傳感器是氣體檢測(cè)儀的關(guān)鍵部件，按使用原理可分為三大類：
1.物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器
如半導(dǎo)體式(表面控制型、體積控制型、表面電位型)、催化燃燒式、固體熱導(dǎo)式等。
2.物理性質(zhì)的氣體傳感器
如熱傳導(dǎo)式、光干涉式、紅外吸收式等。
3.電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器
如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質(zhì)式等。
根據(jù)危害，行業(yè)內(nèi)將有毒有害氣體分為可燃?xì)怏w和有毒氣體兩大類。檢測(cè)這些氣體需要考慮它們自身的性質(zhì)和危害，根據(jù)實(shí)際條件選用不同的氣體檢測(cè)儀器不同和氣體傳感器。返回搜狐，查看更多
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氣敏傳感器
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本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
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。
氣敏傳感器是用來檢測(cè)氣體濃度和成分的傳感器，它對(duì)于環(huán)境保護(hù)和安全監(jiān)督方面起著極重要的作用。氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大， 又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會(huì)使其性能變差。所以對(duì)氣敏傳感器有下列要求：能夠檢測(cè)報(bào)警氣體的允許濃度和其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的氣體濃度，能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)所產(chǎn)生的影響小等。
[1]
中文名
氣敏傳感器
外文名
gas sensor
目 的
檢測(cè)氣體濃度和成分
領(lǐng) 域
硬件
目錄
1
概述
2
工作原理
3
分類
4
應(yīng)用
氣敏傳感器概述
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語音
氣敏傳感器的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂（R11、R12）的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。
[1]
氣敏傳感器工作原理
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語音
聲波器件表面的波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以獲得準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化值。
[1]
氣敏傳感器分類
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語音
1970年，荷蘭科學(xué)家Bergveld研制出了對(duì)氫離子響應(yīng)的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管，標(biāo)志著離子敏半導(dǎo)體傳感器的誕生。半導(dǎo)體傳感器以其易于實(shí)現(xiàn)集成化，微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直引起世界各國(guó)科學(xué)家的重視和興趣。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導(dǎo)體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世。這類傳感器主要是以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測(cè)這些物理特性的變化，即可反映被測(cè)參數(shù)值。它與各種結(jié)構(gòu)型傳感器相比，具有如下特點(diǎn)：由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，微型化；靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，輸出為電量；采用半導(dǎo)體為敏感材料容易實(shí)現(xiàn)傳感器集成化，智能化；功耗低，安全可靠。同時(shí)，半導(dǎo)體傳感器也存在以下一些缺點(diǎn)：線性范圍窄，在精度要求高的場(chǎng)合應(yīng)采用線性化補(bǔ)償電路；與所有半導(dǎo)體元件一樣，輸出特性易受溫度影響而漂移，所以應(yīng)采用補(bǔ)償措施；性能參數(shù)離散性大。雖然存在上述問題，但半導(dǎo)體傳感器仍是傳感器發(fā)展的重要方向，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器的技術(shù)也日臻完善。從所使用的材料來看，凡是使用半導(dǎo)體為材料的傳感器都屬于半導(dǎo)體式傳感器，如，霍爾元件、光敏、磁敏、二極管和三極管熱敏電阻、壓阻式傳感器、光電池、氣敏、濕敏、色敏和離子敏等傳感器。有些內(nèi)容與其他傳感器互相交叉，已在其它章中介紹。本章主要介紹氣敏、濕敏、磁敏、色敏和離子敏半導(dǎo)體式傳感器。
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氣敏傳感器應(yīng)用
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語音
氣敏傳感器的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂勠11、R12蘺檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。 由于氣體種類繁多, 性質(zhì)各不相同不可能用一種傳感器檢測(cè)所有類別的氣體因此能實(shí)現(xiàn)氣-電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器因此本文主要講述半導(dǎo)體氣敏元件的有關(guān)原理及應(yīng)用。半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測(cè)氣體的。 按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型，前者半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變，后者半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化而使電導(dǎo)率變化。 按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時(shí)，其阻值變化來檢測(cè)氣體的成分或濃度廠半導(dǎo)體式氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些關(guān)系特性發(fā)生改變無對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接的檢測(cè)，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來檢測(cè)被測(cè)氣體的。
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氣敏傳感器在電工電路中的控制關(guān)系
本期我們的主題是氣敏傳感器在電工電路中的控制關(guān)系。氣敏傳感器是一種將某種氣體的有無或濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，可檢測(cè)出環(huán)境中某種氣體及其濃度，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，主要用于可燃或有毒氣體泄漏的報(bào)警電路中。圖3-26為氣敏傳感器在實(shí)際電路中的連接關(guān)系。精彩演示圖3-26 氣敏傳...
2020-03-112
閱讀91
參考資料
1.
祝詩平．傳感器與檢測(cè)技術(shù)：北京大學(xué)出版社，中國(guó)林業(yè)出版社，2006年：165
2.
Lang, M.A. (2001). DAN Nitrox Workshop Proceedings. Durham, NC: Divers alert Network. p. 197. Retrieved 2009-03-20.
氣敏傳感器的類型：氣敏傳感器原理
氣敏傳感器種類有半導(dǎo)體氣敏元件（電阻型、非電阻型）、固體電解質(zhì)氣敏元件、
接觸燃燒式、電化學(xué)式等其他類型。
電阻型半導(dǎo)體氣敏材料的導(dǎo)電機(jī)理：
半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值
變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，
被吸附的分子首先在物體表面自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一
部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而化學(xué)吸附在吸附處。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親
和力（氣體的吸附和滲透特性），則吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，
半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或
電子接受性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋
放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有氫氣、一氧化碳、碳?xì)?br/>化合物和醇類，它們被稱為還原性氣體或電子供給性氣體。
當(dāng)氧化型氣體吸附到
N
型半導(dǎo)體，還原型氣體吸附到
P
型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)
體載流子減少，而使電阻增大。當(dāng)還原型氣體吸附到
N
型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附
到
P
型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻下降。由于空氣中的含氧量大體上
是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)固定。若氣體濃度發(fā)生變
化，其阻值也會(huì)變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。
半導(dǎo)體氣敏時(shí)間（響應(yīng)時(shí)間）一般不超過
1min
。
N
型材料有
SnO2,ZnO,TiO
等，
P
型
材料有
MoO2,CrO3
等。
氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三部分組成。氣敏元件從制造工
藝來分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。
加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，
提高其靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在
200
℃
~400
℃左右。在氣敏材料
SnO2
中添加鉑（
Pt
）或鈀（
Pd
）等作為催化劑，可以提高其靈敏度和對(duì)氣體的選擇性。
添加劑的含量和成分，元件的燒結(jié)溫度和工作溫度都將影響元件的選擇性。
氣敏傳感器的類型：氣敏傳感器的原理及應(yīng)用
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半導(dǎo)體氣體傳感器：
半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件組織發(fā)生變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在物體表面自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解吸附在物體表面。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力，則吸附分子將從器件奪走電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。[1]例如氧氣，等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有氫氣、一氧化碳等，它們被稱為還原性氣體。 當(dāng)氧化型氣體吸附到n型半導(dǎo)體，還原性氣體吸附到p型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻增大。當(dāng)還原型氣體吸附到n型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到p型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，半導(dǎo)體阻值下降。 非電阻型氣體傳感器也是半導(dǎo)體氣體傳感器之一。它是利用mos二極管的電容-電壓特性的變化以及mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化等特性而制成的氣體傳感器。由于這類傳感器的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使傳感器對(duì)某些氣體特別敏感。
催化燃燒式傳感器：
可燃?xì)怏w報(bào)警器的原理基本上都是催化燃燒式
催化燃燒式氣體傳感器是采用惠斯通電橋原理，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)構(gòu)成測(cè)量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，載體溫度就升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個(gè)與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號(hào)，再經(jīng)過后期電路的放大、穩(wěn)定和處理zui終顯示可靠的數(shù)值。
電化學(xué)傳感器：
電化學(xué)傳感器是兩電極系統(tǒng)。其工作電極和對(duì)電極由一薄層電解液隔開并經(jīng)由一個(gè)很小的電阻聯(lián)通外電路。當(dāng)氣體 擴(kuò)散進(jìn)入傳感器后，在敏感電極表面進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生電流并通過外電路流經(jīng)兩個(gè)電極。該電流的大小比例于氣體的濃度，可通過外電路的負(fù)荷電阻予以測(cè)量。
電化學(xué)氣體傳感器大都是以水溶液作為電解質(zhì)，電解質(zhì)的蒸發(fā)或污染，常會(huì)導(dǎo)致傳感器的信號(hào)下降，使用壽命短;由于在空氣中有被測(cè)物質(zhì)存在，傳感器中的有效成分被消耗，因此傳感器一旦被啟封，就視為參加了使用，即使沒用于測(cè)量，它的生命也在縮短;電化學(xué)型氣體傳感器的壽命期望值為2年，使用不當(dāng)它的壽命可能更短，而傳感器更換的費(fèi)用較高。因此如何保證其使用壽命，傳感器的正確維護(hù)對(duì)煙氣分析儀的使用尤為重要。
電化一般應(yīng)用于硫化氫、甲醛、氯氣等有毒氣體的檢測(cè)！
光離子氣體傳感器（PID）：
光離子氣體傳感器又稱PID氣體傳感器。采用光離子電離氣體的原理制成的光離子氣體傳感器，具有體積小，靈明度高，即插即用，本安型等特點(diǎn)，光離子氣體傳感器在有機(jī)揮發(fā)物（VOCs）等微量氣體的檢測(cè)方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，由于封裝模式完全兼容City Technology - 4P封裝，因此可以非常便捷的集成到手持/臺(tái)式/固定式氣體探測(cè)系統(tǒng)中
1.光離子氣體傳感器工作原理：
光離子氣體傳感器（PID）是采用光離子電離氣體的原理進(jìn)行氣體檢測(cè)的。 具體的說，就是使用離子燈產(chǎn)生的紫外光對(duì)目標(biāo)氣體進(jìn)行照射/轟擊，目標(biāo)氣體吸收了足夠的紫外光能量后就會(huì)被電離，通過檢測(cè)氣體電離后產(chǎn)生的微小電流，即可檢測(cè)出目標(biāo)氣體的濃度。
典型的光離子型氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如下：
絕大多數(shù)空氣成分（N2、O2和CO2）的光離子能量都高于離子燈所能提供的能量，所以空氣的成分是不會(huì)被檢測(cè)到的。因此，光離子氣體傳感器（PID）非常適合用來檢測(cè)環(huán)境氣體中的有機(jī)揮發(fā)物（VOCs），而且不受空氣的干擾，檢測(cè)精度可以達(dá)到ppb級(jí)別.。
2. 光離子氣體傳感器（PID）檢測(cè)氣體類型：
光離子氣體傳感器（PID）是檢測(cè)有機(jī)揮發(fā)物（VOCs）的zui便捷、zui靈敏的檢測(cè)手段，特別是對(duì)于哪些濃度非常低的氣體泄漏（leak）有著其他類型傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)， 概括的講，光離子氣體傳感器（PID）主要用于有機(jī)揮發(fā)物（VOCs）的檢測(cè)，這些揮發(fā)物包括：
· 芳香類：苯、二甲苯、萘等；
· 飽和烴和不飽和烴類：辛烷、乙烯、環(huán)己烷等；
· 酮、醛、醚類：丙酮、丙醛、丙甲醚等；
· 鹵代烴類、硫代烴類、醇類、酯類、肼類等。
· 此外，可檢測(cè)的無機(jī)物包括：砷、氨。
下列物質(zhì)是不能用光離子傳感器去探測(cè)的：
· 空氣，包括：N2，O2，CO2和水，
· 有毒有害氣體：CO， HCN，SO2。
· 天然氣：CH4、C2H6.
· 酸類：HCL，HF，HNO3。
· 其他：氟利昂、O3
目前，光離子氣體傳感器（PID）已經(jīng)被集成到手持、固定式、臺(tái)式氣體探測(cè)器以及專業(yè)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀器上，廣泛應(yīng)用在化工、石油、環(huán)保、制藥、釀酒等諸多行業(yè)，為安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和危害檢測(cè)保駕護(hù)航。
紅外氣體傳感器：
光譜吸收法表明許多氣體分子在紅外波段存在特征吸收;根據(jù)朗伯-比爾定律，特征吸收強(qiáng)度與氣體濃度成正比例關(guān)系。據(jù)此原理設(shè)計(jì)而成的紅外氣體分 析器可用于分析混合氣體中某種或某幾種待測(cè)氣體組分的濃度，是一類非常重要、非常經(jīng)典的氣體分析器。基于氣體的紅外吸收光譜特性，非單元素的極性氣體分子 在中紅外（2.5～25μm）波段存在著分子振動(dòng)能級(jí)的基頻吸收譜線，因此紅外氣體分析器靈敏度高，既可以用于常量分析，又可以用于微量分析;且選擇性好，可以實(shí)現(xiàn)背景氣體對(duì)測(cè)量分析基本沒有影響。
紅外傳感器的應(yīng)用很廣，在檢測(cè)很多種的氣體中都使用到它，而且它的可靠性很高，選擇性很好，精度也高，沒有毒，受到環(huán)境的干擾較小，壽命比較長(zhǎng)，對(duì)氧氣不依賴等等的優(yōu)點(diǎn)，在未來的市場(chǎng)中很可能會(huì)成為主流的。當(dāng)然，它也有缺點(diǎn)，因?yàn)樘幵趧倓偲鸩降碾A段，技術(shù)不夠，而且市場(chǎng)上很少，制造的成本比較高，這些種種的缺點(diǎn)對(duì)它在市場(chǎng)上的使用都有一定的限制。但是，希望在未來的技術(shù)發(fā)展中，可以發(fā)現(xiàn)更多更好的技術(shù)讓它變得更加成熟，更加實(shí)用，在市場(chǎng)上的占有位置更高。
