气敏传感器

① 气敏传感器介绍
气敏传感器可用于对气体的定性或定量检测。气敏材料与气体接触后会发生化学或物理相互作用，导致其某些特性参数的改变，包括质量，电参数，光学参数等。气敏传感器利用这些材料作为气敏元件，把被测气体种类或浓度的变化转化成传感器输出信号的变化，从而实现气体检测目的。

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② 气敏传感器的应用
气敏传感器主要用于对各种目标气体的定性或定量检测，在环境气体监测，食品安全监察，工业排放监控，呼气疾病诊断等领域有着广泛的应用。
③ 气敏传感器分类
根据气敏元件的不同，气体传感器可分为半导体气体传感器，红外吸收式气敏传感器，接触燃烧式气敏传感器以及利用电极和电解液对气体进行检测的电化学传感器等。
3.1 半导体气敏传感器
半导体气敏传感器的敏感元件大多是以金属氧化物半导体为基础材料，可分为电阻式和非电阻式两种，如表1所示。当被测气体在半导体表面吸附后，使半导体敏感材料的电学特性(例如电导率)发生变化，通过测量其变化，就可以实现对气体的检测。对半导体气敏传感器，目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。

表1 半导体气体传感器的分类

	主要物理特性	传感器举例	工作温度	代表性被测气体
电阻式	表面控制型	氧化锡、氧化锌	室温 ~ 450℃	可燃性气体
	体控制型	氧化钛、氧化钴 氧化镁、氧化锡	300 ~ 450℃ 700℃以上	酒精、可燃气体、氧气
非电阻式	表面电位	氧化银	室温	硫醇
	二极管整流特性	铂/硫化镉、铂/氧化钛	室温 ~200℃	氢气、一氧化碳、酒精
	晶体管特性	铂栅MOS场效应管	150℃	氢气、硫化氢

优点：成本低，反应快，灵敏度高，湿度影响小。
缺点：必须高温工作，对气体选择性差。
3.2 光学气敏传感器
光学气敏传感器可以工作在红外波段和紫外—可见光波段。
大多数气体分子的振动和转动光谱都在红外波段。当入射红外辐射的频率与分子的振动转动特征频率相同时，红外辐射就会被气体分子所吸收，引起辐射强度的衰减。典型的红外吸收式气敏传感器结构如图1所示。红外光源产生的红外光入射到测量槽，照射到某种被测气体时，根据气体种类不同，将对不同波长的红外光具有不同的吸收特性，同种气体不同浓度对红外光的吸收量也不同。因此，通过测量到达光敏元件的红外光的强度，根据红外光源的波长和光敏元件输出的电信号就可以知道被测气体的种类和浓度。

图1 量子型红外光敏元件气敏传感器的构成

某些材料和特定气体接触反应后其在紫外—可见光波段的吸收光谱会发生变化，比如甲基红在酸性气氛中会发生变色。用此类材料作为敏感元件可以在紫外—可见光波段实现对气体的检测。
光学气敏传感器精度高、选择性好，气敏度范围宽，是钢铁，石化，化肥，机械等工业部门生产流程控制的重要监测手段；在环境污染成分检测和医学生理研究等方面也都有许多成功的应用。其缺点是价格偏高，使用和维护难度较大。
3.3 接触燃烧式气敏传感器
典型的接触式燃烧式气敏传感器结构与电路原理图如图2所示。氧化催化剂中埋设有白金等金属线，工作时金属圈中通电流使温度保持在300～600℃，当可燃气体接触传感器表面时会发生燃烧，所产生的热量使金属丝进一步温度升高，致使电阻值增大，导致电桥失衡产生输出。不同种类不同浓度的可燃气体燃烧产生的热量不同，对应不同的电路输出。

图2 接触燃烧式气敏传感器结构与电路原理

接触燃烧式气敏传感器一般用于石油化工、造船厂、矿山及隧道等场合，以检测石油类可燃烧性气体的存放情况和防止危险事故发生。
优点：对气体选择性好，线性好，受温度、湿度影响下，响应快。
缺点：对低浓度的可燃性气体的气体敏感度低，敏感元件受到催化剂的侵害后其特性锐减，金属丝易断。
3.4 电化学气敏传感器
电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达传感电极表面发生反应，以形成充分的电信号，通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。
电化学气敏传感器主要用于相对封闭环境中有毒有害气体的检测，比如矿井、居室、工作间等地对CO，H2S和甲醛等的监测和报警。
优点：选择性好，反应迅速，灵敏度高，可实时连续检测。
缺点：易受环境影响，价格较高。
3.5 各种气敏传感器的反应机理和优缺点综述
④ 典型应用
(1) 家用气体报警器
(2) 有害气体辨别
(3) 可燃性气体浓度检测
(4) 矿灯瓦斯报警器
(5) 烟雾报警器
(6) 酒精检测报警器