氣敏傳感器
來源：作者：日期：2017-12-22 16:35:42點擊：12537次
氣敏傳感器是一種利用被測氣體與氣敏元件發生的化學反應或物理效應等機理，把被測氣體的種類或濃度的變化轉化成氣敏元件輸出電壓或電流的變化。半導體電阻式氣敏傳感器則是利用氣體吸附在半導體上而使半導體的電阻值隨著可燃氣體濃度的變化而變化的特性來實現對氣體的種類和濃度的判斷。
目錄
1、氣敏傳感器的簡介
2、氣敏傳感器工作原理
3、氣敏傳感器的分類
4、氣敏傳感器的應用
5、氣敏傳感器的溫濕度補償
6、氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
氣敏傳感器的簡介：
氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂(R11、R12)的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。
它將氣體種類極其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警;還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。
氣敏傳感器工作原理：
聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用(化學作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移;氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。
氣敏傳感器的分類：
3.1.半導體氣敏傳感器
半導體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當被測氣體在半導體表面吸附后，使半導體敏感材料的電學特性(例如電導率)發生變化，通過測量其變化，就可以實現對氣體的檢測。對半導體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。
優點：成本低，反應快，靈敏度高，濕度影響小。
缺點：必須高溫工作，對氣體選擇性差。
3.2.光學氣敏傳感器
光學氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外—可見光波段。
大多數氣體分子的振動和轉動光譜都在紅外波段。當入射紅外輻射的頻率與分子的振動轉動特征頻率相同時，紅外輻射就會被氣體分子所吸收，引起輻射強度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結構如圖1所示。紅外光源產生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測氣體時，根據氣體種類不同，將對不同波長的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達光敏元件的紅外光的強度，根據紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號就可以知道被測氣體的種類和濃度。
某些材料和特定氣體接觸反應后其在紫外—可見光波段的吸收光譜會發生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會發生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外—可見光波段實現對氣體的檢測。
光學氣敏傳感器精度高、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機械等工業部門生產流程控制的重要監測手段;在環境污染成分檢測和醫學生理研究等方面也都有許多成功的應用。其缺點是價格偏高，使用和維護難度較大。
3.3.接觸燃燒式氣敏傳感器
典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結構與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設有白金等金屬線，工作時金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當可燃氣體接觸傳感器表面時會發生燃燒，所產生的熱量使金屬絲進一步溫度升高，致使電阻值增大，導致電橋失衡產生輸出。不同種類不同濃度的可燃氣體燃燒產生的熱量不同，對應不同的電路輸出。
p;接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性氣體的存放情況和防止危險事故發生。
優點：對氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應快。
缺點：對低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。
3.4.電化學氣敏傳感器
電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，然后是憎水屏障，最終到達傳感電極表面發生反應，以形成充分的電信號，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。
電化學氣敏傳感器主要用于相對封閉環境中有毒有害氣體的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對CO，H2S和甲醛等的監測和報警。
優點：選擇性好，反應迅速，靈敏度高，可實時連續檢測。
缺點：易受環境影響，價格較高。
3.5. 各種氣敏傳感器的反應機理和優缺點綜述
氣敏傳感器的應用：
4.1.家用氣體報警器
4.2. 有害氣體辨別
4.3.可燃性氣體濃度檢測
4.4.礦燈瓦斯報警器
4.5.煙霧報警器
4.6.酒精檢測報警器
氣敏傳感器的溫濕度補償：
氣敏傳感器在測量中受環境溫濕度變化的影響很大，不考慮溫濕度變化因素會給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇氣敏傳感器敏感元件的電阻值，-△Rs為氣敏傳感器正常工作時待測氣體濃度導致敏感元件的電阻值的變化值，-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環境因素影響導致的電阻值的變化值;
是采樣電阻，一般選用金屬膜電阻，溫濕度等環境變化對它的影響很小。此外，采樣電阻
本身產生的溫度影響可以忽略不計。
氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
6.1.能夠檢淵易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度。并能及時給出報薯、顯示與控制信號;
6.2.對被側氣體以外的共存氣體或物質不敏感;
6.3.長期穩定性好、重復性好
6.4.動態特性好、響應迅速;
6.5.使用、維護方便，價格便宜等。
| 外文名 | 外文名 |
| 氣敏傳感器 | gas sensor |
目錄
1、氣敏傳感器的簡介
2、氣敏傳感器工作原理
3、氣敏傳感器的分類
4、氣敏傳感器的應用
5、氣敏傳感器的溫濕度補償
6、氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
氣敏傳感器的簡介：
氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂(R11、R12)的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。
它將氣體種類極其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警;還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。
氣敏傳感器工作原理：
聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用(化學作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移;氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。
氣敏傳感器的分類：
3.1.半導體氣敏傳感器
半導體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當被測氣體在半導體表面吸附后，使半導體敏感材料的電學特性(例如電導率)發生變化，通過測量其變化，就可以實現對氣體的檢測。對半導體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。
優點：成本低，反應快，靈敏度高，濕度影響小。
缺點：必須高溫工作，對氣體選擇性差。
3.2.光學氣敏傳感器
光學氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外—可見光波段。
大多數氣體分子的振動和轉動光譜都在紅外波段。當入射紅外輻射的頻率與分子的振動轉動特征頻率相同時，紅外輻射就會被氣體分子所吸收，引起輻射強度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結構如圖1所示。紅外光源產生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測氣體時，根據氣體種類不同，將對不同波長的紅外光具有不同的吸收特性，同種氣體不同濃度對紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達光敏元件的紅外光的強度，根據紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號就可以知道被測氣體的種類和濃度。
某些材料和特定氣體接觸反應后其在紫外—可見光波段的吸收光譜會發生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會發生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外—可見光波段實現對氣體的檢測。
光學氣敏傳感器精度高、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機械等工業部門生產流程控制的重要監測手段;在環境污染成分檢測和醫學生理研究等方面也都有許多成功的應用。其缺點是價格偏高，使用和維護難度較大。
3.3.接觸燃燒式氣敏傳感器
典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結構與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設有白金等金屬線，工作時金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當可燃氣體接觸傳感器表面時會發生燃燒，所產生的熱量使金屬絲進一步溫度升高，致使電阻值增大，導致電橋失衡產生輸出。不同種類不同濃度的可燃氣體燃燒產生的熱量不同，對應不同的電路輸出。
p;接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性氣體的存放情況和防止危險事故發生。
優點：對氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應快。
缺點：對低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。
3.4.電化學氣敏傳感器
電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，然后是憎水屏障，最終到達傳感電極表面發生反應，以形成充分的電信號，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。
電化學氣敏傳感器主要用于相對封閉環境中有毒有害氣體的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對CO，H2S和甲醛等的監測和報警。
優點：選擇性好，反應迅速，靈敏度高，可實時連續檢測。
缺點：易受環境影響，價格較高。
3.5. 各種氣敏傳感器的反應機理和優缺點綜述
氣敏傳感器的應用：
4.1.家用氣體報警器
4.2. 有害氣體辨別
4.3.可燃性氣體濃度檢測
4.4.礦燈瓦斯報警器
4.5.煙霧報警器
4.6.酒精檢測報警器
氣敏傳感器的溫濕度補償：
氣敏傳感器在測量中受環境溫濕度變化的影響很大，不考慮溫濕度變化因素會給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇氣敏傳感器敏感元件的電阻值，-△Rs為氣敏傳感器正常工作時待測氣體濃度導致敏感元件的電阻值的變化值，-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環境因素影響導致的電阻值的變化值;
是采樣電阻，一般選用金屬膜電阻，溫濕度等環境變化對它的影響很小。此外，采樣電阻
本身產生的溫度影響可以忽略不計。
氣敏傳感器的性能必須滿足的條件：
6.1.能夠檢淵易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度。并能及時給出報薯、顯示與控制信號;
6.2.對被側氣體以外的共存氣體或物質不敏感;
6.3.長期穩定性好、重復性好
6.4.動態特性好、響應迅速;
6.5.使用、維護方便，價格便宜等。
