最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代,当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期,小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体,并显示出了良好的敏感性与选择性。为保护人身安全起见,各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。

什么是电化学传感器

 

 

电化学传感器的工作原理

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,然后是疏水屏障层,最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应,以形成充分的电信号,同时防止电解质漏出传感器。

 

穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应,传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

 

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。由于该过程中会产生电流,电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

 

在实际中,由于电极表面连续发生电化发应,传感电极电势并不能保持恒定,在经过一段较长时间后,它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能,人们引入了参考电极。

 

参考电极安装在电解质中,与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体分子与传感电极发生反应,同时测量反电极,测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。

 

电化学传感器的作用

1、湿度传感器 湿度是空气环境的一个重要指标,空气的湿度与人体蒸发热之间有着密切关系,高温高湿时,由于人体水分蒸发困难而感到闷热,低温高湿时,人体散热过程剧烈,容易引起感冒和冻伤。人体最适宜的气温是 18~22℃,相对湿度为 35%~65%RH。 在环境与卫生监测中,常用于湿球温湿度计、手摇湿温度计和通风湿温度计等仪器测定空气湿度。近年来,大量文献报道用传感器测定空气湿度。用于测定相对湿度的涂覆压电石英晶体用传感器,通过光刻和化学蚀刻技术制成小型石英夺电晶体,在 AT 切割的 10MHZ 石英晶体上涂有 4 种物质,对湿度具有较高的质量敏感性 . 该晶体是振荡电路中的共振器,其频率随质量变化,选择适当涂层,该传感器可用于测定不同气体的相对湿度 . 该传感器的灵敏度、响应线性、响应时间、选择性、滞后现象和使用寿命等取决于涂层化学物质的性质。

 

2、氧化氮传感器 氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称,常以 NOX 表示。在氧化氮中,不同形式的氧化氮化学稳定性不同,空气中常风的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮,它们在卫生学上的意义显得较其它形式氧化氮更为重要。在环境分析中,氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。 我国监测氧化氮的标准方法是盐酸萘乙二胺比色法,方法灵敏度为 0.25ug/5ml,方法转换系数受吸收液组成、二氧化氮浓度、采气速度、吸收管结构、共存离子及温度等多种因素的影响,未完全统一。传感器测定是近年发展起来的新方法。 文献报道,用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结合,获得了新型气体敏感微传感器,可选择性检测 mg/m3 级二氧化氮和二惜内基甲基膦酸盐(DIMP)。

 

3、硫化氢气体传感器 硫化氢是一种无色、具有特殊腐蛋臭味的可燃气体,具有刺激性和窒息性,对人体有较大危害。大多用比色法和气相色谱法测定空气中硫化氢。 对含量常常低至 mg/m3 级的空气污染物进行测定是气体传感器的一项主要应用,但在短时期内半导体气体传感器还不能满足监测某些污染气体灵敏度和选择性要求。掺银薄膜传感器阵列由四个传感器构成,通过基于库化滴定的通用分析装置和半导体气体传感器阵列的信号,同时记录二氧化硫和硫化氢浓度,实践表明,在 150℃下以恒温方式的掺银薄膜传感器用于监测城市空气中的硫化氢含量,效果良好。

 

4、二氧化硫传感器 二氧化硫是污染空气的主要物质之一,检测空气中二氧化硫尝试是空气检验的一项经常性工作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时间到降低检出限,都显示出极大的优越性。 利用固体聚合物作离子交换膜,膜的一边含对电极和参比电极的内部电解液,另一边插入铂电极,组成一种二氧化硫传感器。该传感器安装在流通池中,在 0.65V 下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。该传感装置电流灵敏度高。响应时间短,稳定性好,本底噪音低,线性范围达 0.2mmol/L,检出限为 8*10-6mmol/L,信噪比为 3。该传感器不仅可以测定空气中的二氧化硫,还可用于测定低电导率液体中的二氧化硫。有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的,对二氧化硫的测定具有良好的重现性和可逆性,响应时间不到 20S,对其它气体的交感小,受温度和湿度影响小。