淺析氣體傳感器的原理及應用

單曉瑀 教傳艷* 沈陽工學院機械與運載學院

在上世紀30年代，德國科學家H.H.Banmbach等人在合成Cu2O時，首次發現了它對O2有極強的吸附作用。其后，D.J.M.Beran、H.F.ritzede等人發現了H2、CO等還原性氣體與ZnO接觸后，引起電導率增大。六十年代初，隨著煤氣、液化石油氣、天然氣等產業的發展，同時也帶來了因氣體泄漏而引起的中毒、爆炸、火災等安全問題。因此，才逐步引起人們對氣體傳感器的重視，并促進了對氣體有敏感反應的氣敏材料及傳感器的研究。

氣體傳感器是化學傳感器的一大門類，可按照工作原理、材料、制造工藝、檢測對象和應用領域構成獨立的分類標準。在過去幾十年中，半導體式氣敏傳感器的結構經歷了不斷的發展，從陶瓷燒結型、厚膜型發展到薄膜型、陣列式、硅基微結構型，其主流發展趨勢是向小型化、集成化、多功能化、低功耗、高靈敏度、高選擇性、高穩定性的方向發展。

1 氣體傳感器的結構

從制作工藝來看，電阻式半導體氣敏傳感器結構可以分為三種類型：燒結型、厚膜型和薄膜型；按加熱方式又可分為直熱式和旁熱式。

直熱式元件的主要特點是加熱器與氣敏材料直接接觸，它將起電極和加熱作用的Ir-Pd合金線圈埋入氣敏氧化物材料中經燒結而成。 旁熱式則使用絕緣陶瓷管，將加熱線圈插入絕緣陶瓷管內，而在其表面分別涂上電極和氣體敏感材料，這樣加熱器與氣敏材料不再直接接觸。

2 氣體傳感器的工作原理

傳感器的測試方式以工作模式的不同而有所區別，大體上可分為直流測量法和交流測量法。RL為負載電阻。當元件的電阻變化時，可通過負載電阻上電壓的變化來換算。

式（2-3）中，R0為元件在空氣中的電阻，Rc為元件在被測氣體濃度為C的氣體中的電阻。V0為元件在空氣中，負載電阻RL取一固定值時RL兩端的電壓輸出值，Vc為元件在被測氣體濃度為C的氣體中RL兩端的電壓輸出值。

典型半導體式氣體傳感器的響應恢復特性曲線，一般的，氣體傳感器的恢復時間要長于響應時間。

典型半導體式氣體傳感器的靈敏度特性曲線，一般的，半導體式氣體傳感器的電阻與氣體濃度是非線性關系，近似于雙對數線性關系。

3 氣體傳感器的應用

圖3-1 氣體鑒別、報警與控制電路

氣體傳感器一方面可鑒別實驗中有無有害氣體產生，鑒別液體是否有揮發性，另一方面可自動控制排風扇排氣，使室內空氣清新。如圖3-1所示，MQS2B是旁熱式煙霧、有害氣體傳感器，無有害氣體時阻值較高(10kΩ左右)，有有害氣體或煙霧進入時阻值急劇下降，A、B兩端電壓下降，使得B的電壓升高，經電阻R1和RP分壓、R2限流加到開關集成電路TWH8778的選通端腳，當腳電壓達到預定值時(調節可調電阻RP可改變5腳的電壓預定值)，1、2兩腳導通。+12V電壓加到繼電器上使其通電，觸點J1-1吸合，合上排風扇電源開關自動排風。同時2腳+12V電壓經R4限流和穩壓二極管VZ1穩壓后供給微音器HTD電壓而發出滴滴聲，而且發光二極管發出紅光，實現聲光報警的功能。

4 結論

本文通過從結構、工作原理及應用三方面具體介紹了什么是氣體傳感器以及它的作用和在人們生活中的必要性。氣體傳感器可廣泛應用于日常生活中的報警裝置及環保節能等領域，因為有了它存在，可以使人們的生活變得更加便捷更加安全。

[1]Yoshihiko Nakatani.Ceramic Gas Sensor For City Gas.National Technical Report,1979,25(5)：1033-1041.

[2]吳建平.傳感器原理及應用[M].2版.北京：機械工業出版社,2012.