氣體傳感器的分類與工作原理淺探

雷菊華,方志兵

（重慶市經貿中等專業學校,重慶 402160）

隨著科學技術的發展，作為現代信息技術的三大支柱之一的傳感器技術受到了廣泛的關注。我國國家標準(GB7665-87)中傳感器定義為“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。它與人類的感官相對應，可分為光敏傳感器（視覺）、聲敏傳感器（聽覺）、氣敏傳感器（嗅覺）、化學傳感器（味覺）和壓敏、溫敏、流體等傳感器（觸覺）。

氣體傳感器以氣敏器件為核心組成，在檢測系統中的作用相當于人類的鼻子，將氣體種類、濃度等參量轉化成電信號輸出。對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，能按要求檢測出氣體濃度；

（2）可以重復多次使用，使用壽命較長和穩定性好；

（3）能實現實時監測。

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

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

根據氣敏材料及作用效應可分為半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、光學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器等。

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

此外，按傳感器的輸出可分為電阻式和非電阻式；按氣體傳感器的結構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，目前已研發出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，這是除了傳統的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體氣敏器件，它利用了敏感氣體會改變MOSFET開啟電壓的原理，這類器件使用簡單方便，無需設置工作溫度，穩定性好，靈敏度較高，易集成，市場上應用最為廣泛，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，感應電阻與周圍的可燃氣體發生無焰燃燒，感應電阻變化的阻值使電橋平衡被打破，轉化為電流信號，該信號經過放大、穩定和處理，變為可靠的易讀的數值顯示出來。這類氣體傳感器響應快，受溫度和濕度影響小，而且價格便宜，廣泛用于檢測氫氣、甲烷以及部分有機溶劑蒸氣。但是這類傳感器只可檢測可燃性氣體，選擇性也有待改善。

3 固體電解質氣體傳感器

固體電解質作為氣體傳感器時類似一種電池。這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，廣泛應用在石化、環保、礦業、食品等各個領域。

4 電化學式氣體傳感器

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，然后通過測量電解電流來檢測氣體的濃度，能檢測CO、O2等多種氣體。電量式氣體傳感器通過測量被測氣體與電解質發生反應產生的電流來確定氣體濃度的。離子電極式氣體傳感器通過測量離子極化電流來確定氣體濃度。此類氣體傳感器檢測氣體的靈敏度高，選擇性好，但需要經常標定，且使用壽命短。

5 光學式氣體傳感器

紅外吸收型氣體分析儀就是一種光學式氣體傳感器，該分析儀通過測量和分析不同氣體吸收紅外線所產生的不同紅外吸收峰來確定氣體種類及濃度。此類氣體傳感器靈敏度高、響應快、穩定性好、使用壽命長，但是價格偏高。

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），它由石英振動盤和兩個電極構成，其中石英振動盤直徑為數微米，盤上淀積了有機聚合物，吸附氣體后的聚合物會使器件質量增加。給器件加上振蕩信號，于是在其特征頻率內發生共振，增加質量的器件會降低石英振子的共振頻率，由此測定共振頻率的變化就能識別氣體種類及濃度。

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性的有機化合物（VOC），吸附后使傳感器件質量增加，聲波在該材料表面傳播時，其傳播速度、振動頻率就會發生相應的變化，由此可測量聲波頻率的變化來識別氣體濃度。此類氣體傳感器靈敏度高、檢測限低、體積小，可測量苯乙烯、甲苯等有機物的蒸汽，但只能在室溫工作，且對氣體的選擇性是由敏感材料決定的。

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

[2]吳玉鋒等.氣體傳感器研究進展與發展方向[J].計算機測量與控制，2003，11(10):731-734.