气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

什么是气体传感器

探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。

 

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置!气体传感器一般被归为化学传感器的一类,尽管这种归类不一定科学。

 

气体传感器的工作原理

气体传感器是气体检测系统的核心,通常安装在探测头内。从本质上讲,气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸,甚至对样品进行化学处理,以便化学传感器进行更快速的测量。

 

气体种类繁多,性质各异,因此,气体传感器种类也很多。按待检气体性质可分为:用于检测易燃易爆气体的传感器,如氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等;用于检测有毒气体的传感器,如氯气、硫化氢、砷烷等;用于检测工业过程气体的传感器,如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳;用于检测大气污染的传感器,如形成酸雨的 NOx、CH4、O3,家庭污染如甲醛等。按气体传感器的结构还可分为干式和湿式两类;按传感器的输出可分为电阻式和费电阻式两类;按检测院里可分为电化学法、电气法、光学法、化学法几类。

 

气体传感器的工作原理

 

 

半导体气体传感器

半导体气体传感器可分为电阻型和非电阻型(结型、MOSFET 型、电容型)。电阻型气敏器件的原理是气体分子引起敏感材料电阻的变化;非电阻型气敏器件主要有 M()s 二极管和结型二极管以及场效应管(M()SFET),它利用了敏感气体会改变 MOSFET 开启电压的原理,其原理结构与 ISFET 离子敏传感器件相同。

 

电阻型半导体气体传感器

 

作用原理

人们已经发现 SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2 等材料都存在气敏效应。用这些金属氧化物制成的气敏薄膜是一种阻抗器件,气体分子和敏感膜之间能交换离子,发生还原反应,引起敏感膜电阻的变化。作为传感器还要求这种反应必须是可逆的,即为了消除气体分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。SnO2 薄膜气敏器件因具有良好的稳定性、能在较低的温度下工作、检验气体种类多、工艺成熟等优点,是目前的主流产品。此外,Fe2O3 也是目前广泛应用和研究的材料。除了传统的 SnO、SnO2 和 Fe2O3 三大类外,目前又研究开发了一批新型材料,包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发,大大提高了气体传感器的特性和应用范围。

 

选择性是气体传感器的关键性能。如 SnO2 薄膜对多种气体都敏感,如何提高 SnO2 气敏器件的选择性和灵敏度一直是研究的重点。主要措施有:在基体材料中加入不同的贵金属或金属氧化物催化剂,设置合适的工作温度,利用过滤设备或透气膜外过滤敏感气体。在 SnO2 材料内掺杂是改善传感器选择性的主要方法,添加 Pt、Pd、Ir 等贵金属不仅能有效地提高元件的灵敏度和响应时间,而且,催化剂不同,导致不同的吸附倾向,从而改善选择性。例如在 SnO2 气敏材料中掺杂贵金属 Pt、Pd、Au 可以提高对 CH4 的灵敏度,掺杂 Ir 可降低对 CH4 的灵敏度,掺杂 Pt、Au 提高对 H2 的灵敏度,掺杂 Pd 降低对 H2 的灵敏度。

 

工作温度对传感器的灵敏度有影响。下图左图为 SnO2 气敏器件对各种气体温度的电阻特性曲线。由图可见,器件在不同温度下对各种气体的灵敏度不同,利用这一特性可以识别气体种类。

 

制备工艺对 SnO2 的气敏特性也有很大的影响。如在 SnO2 中添加 ThO2,改变烧结温度和加热温度就可以产生不同的气敏效应。按质量计算,在 SnO2 中加入 3~5%的 ThO2,5%的 Sm2.在 600℃的 H2 气氛中烧结,制成厚膜器件,工作温度为 400℃。则可作为 CO 检测器件。上图右图是烧结温度为 600℃时气敏器件的特性。可看出,工作温度在 170~200℃范围内,对 H2 的灵敏度曲线呈抛物线,而对 CO 改变工作温度则影响不大,因此,利用器件这一特性可以检测 H2。而烧结温度为 400℃制成的器件,工作温度为 200℃时,对 H2、CO 的灵敏度曲线形状都近似呈直线,但对 CO 的灵敏度要高得多,可以制成对 CO 敏感的气体传感器。

 

气体传感器的作用

应用于建设环境物联网。气体传感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等气体探测领域有着广泛的应用,环境问题一直是全国乃至全世界最关心的话题之一,人类赖以生存的环境一直在遭受着严重的破坏,如何保护环境就需要建立环境监管机制,建设物联网成为必要,而气体传感器作为环境检测的必备传感器将有助于建设环境物联网。

 

传感器是物联网最核心和最基础的环节,是各种信息和人工智能的桥梁,其技术领域中重要门类之一的气体传感器,横跨功能材料、电子陶瓷、光电子元器件、MEMS 技术、纳米技术、有机高分子等众多基础和应用学科。高性能的气体传感器能大大提高信息采集、处理、深加工水平,提高实时预测事故的准确性,不断消除事故隐患,大幅度减少事故特别是重大事故的发生。能有效实现安全监察和安全生产监督管理的电子化,变被动救灾为主动防灾,使安全生产向科学化管理迈进。