氣體傳感器類型有哪些？

時間：2019-08-28

隨著人們生活水平的提高和對環(huán)保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對食品和人居環(huán)境質量的檢測都提出了較高的要求，作為感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器是**的。氣體傳感器能夠實時對各種氣體進行檢測和分析，具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點;加上微電子、微加工技術和自動化、智能化技術的*發(fā)展，使得氣體傳感器體積變小、價格低廉、使用方便，因此它在軍事、醫(yī)學、交通、環(huán)保、質檢、防偽、家居等領域得到了廣泛的應用。但目前市售的氣體傳感器仍然存在一些問題，如選擇性和穩(wěn)定性較差等。氣體傳感器各項性能指標的進一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開發(fā)正日益受到重視，**紛紛投巨資進行這一領域的研究。

氣體傳感器的種類很多，分類標準不一，根據傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機理和效應不同主要可分為半導體氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器、表面聲波氣體傳感器等形式。

1半導體氣體傳感器

半導體氣體傳感器分為金屬氧化物半導體氣體傳感器和**半導體氣體傳感器。

1.1金屬氧化物半導體氣體傳感器

自上世紀60年代以來，金屬氧化物半導體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應*等優(yōu)點占據氣體傳感器的半壁江山。較初的氣體傳感器主要采用SnO2、ZnO為氣敏材料，近些年又研究開發(fā)了一些新型材料，除了少量單一金屬氧化物材料，如WO3、In2O3、TiO2、Al2O3等外，開發(fā)的熱點主要集中在復合金屬氧化物和混合物金屬氧化物，如表1所示。金屬氧化物半導體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩種。

1.1.1電阻式金屬氧化物半導體傳感

SnO2、ZnO是電阻式金屬氧化物半導體傳感器的氣敏材料的典型代表，它們兼有吸附和催化雙重效應，屬于表面控制型，但該類半導體傳感器的使用溫度較高，大約200～500℃。為了進一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向母料中添加一些貴金屬(如Ag、Au、Pb等)，激活劑及粘接劑Al2O3、SiO2、ZrO2等。例如添加1%ZrO2的ZrO2-SnO2氣體傳感器對于1×10-5的H2S氣體靈敏度與未添加ZrO2的元件相比，靈敏度增加約50倍左右;在SnO2中添加Pb能明顯提高響應時間。采用粉末濺射技術制備的表面層摻雜SnO2/SnO2：Pt雙層膜來檢測CO的濃度，發(fā)現可降低工作溫度，在室溫至200℃溫度范圍內均顯示出較高的靈敏度。通過添加不同的添加劑還能改善氣體傳感器的選擇性，在ZnO中添加Ag能提高對可燃性氣體的靈敏度，加入V2O5能使其對氟里昂較加敏感，加入Ga2O3能提高對烷烴的靈敏度。Fe2O3系也屬于該類氣體傳感器，用溶膠凝膠法和化學氣相沉積法合成納米級的Fe2O3對CH4、H2、C2H5OH有很好的敏感性;向Fe2O3中加入少量的SO42-及四價金屬離子如Sn4+由于抑制其晶粒生長而提高靈敏度。近年來采用薄膜技術和集成電路技術把加熱元件、溫度傳感器、叉指電極、氣體敏感膜集成在硅寸底上制成了比常規(guī)的多晶膜高的多得的氣敏元件，并且結構簡單、制作方便，可以根據被測氣體選擇不同的敏感膜，使得該類傳感器成為很有發(fā)展前景的新型半導體氣體傳感器。但氣敏元件一般暴露在大氣中且加熱元件的電壓值決定了氣敏元件的工作溫度，因此如何消除濕度和溫度等環(huán)境因素對測量的影響還未得到很好的解決。

1.1.2非電阻式金屬氧化物半導體氣體傳感器

非電阻式金屬氧化物半導體氣體傳感器主要包括MOS場效應管型氣體傳感器和二極管型氣體傳感器等。

氫氣敏Pd柵MOSEFT是較早研制成的催化金屬柵場效應氣體傳感器，當氫氣與Pd發(fā)生作用時，場效應管的閾值電壓將隨氫氣濃度而變化，以此來檢測氫氣。這種結構的氣體傳感器對氫氣的靈敏度可達ppm級，而且選擇性非常好，但長期穩(wěn)定性問題目前尚未得到很好解決。此外Pd柵MOSFET場效應管型氣體傳感器還可以檢測一些易分解出氫氣的氣體，如NH3、H2S等。采用YSZ作MOS場效應晶體管的柵較，Pt作金屬柵可制成氧氣敏場效應管型氣體傳感器。A.Fuchs等人用帶有KI敏感膜的場效應管氣體傳感器可以很好的實現O3的檢測，在20～80ppb濃度范圍內有很好的分辨率。將MOSFET的金屬柵去掉，采用La0.7Sr0.3FeO3納米薄膜作柵制作了微米尺寸、室溫工作的OSFET式氣體傳感器成功實現了對乙醇氣體的檢測。

晶體管型氣體傳感器的原理是吸附在金屬與半導體界面間的氣體使得半導體禁帶寬度或金屬的功函數發(fā)生變化，通過半導體整流特性的變化來判斷其濃度的大小。在摻錮的硫化鎘上蒸發(fā)一薄層鈀構成鈀/硫化鎘二極管傳感器，可以用來檢測氫氣。此外鈀/氧化鈦、鈀/氧化鋅、鉑/氧化鈦也可制成二極管敏感元件用于氫氣檢測。

1.2**半導體氣體傳感器

**半導體材料由于其易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉，易與微結構傳感器相結合，并且可以根據功能需要進行分子設計和合成等諸多優(yōu)點越來越受到國內外研究人員的重視。

酞菁類聚合物是**半導體敏感材料的代表，它們所具有的環(huán)狀結構使得吸附氣體分子與**半導體之間產生電子授受關系。不同的酞菁聚合物可選擇如真空升華技術、LB膜技術、旋涂技術和自組織膜技術等制膜技術在檢測器件上制得薄膜型氣敏元件，還可制得傳感器陣列，使其與計算機模式識別技術結合使用。謝丹等人在MOSFET基礎上，根據電荷流動電容器原理，以三明治型稀土金屬元素鏷雙酞菁配合物Pr[Pc(OC8H17)8]2為氣敏材料，取代中間柵較中的間隙位置，利用LB超分子薄膜技術，將Pr[Pc(OC8H17)8]2與十八烷醇(OA)以1：3的比例混合而成的LB多層膜拉制在電荷流動場效應管(CFT)上，形成一種新型的具有CFT結構的LB膜NO2氣體傳感器，室溫下檢測NO2靈敏度可達5ppm。此外，聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、β—胡蘿卜素等近年來也被用作**半導體氣敏材料受到人們關注。

2固體電解質氣體傳感器

固體電解質指的是依靠離子或質子來實現傳導的一類固態(tài)物質。固體電解質氣體傳感器的原理是敏感材料在一定氣氛中會產生離子，離子的遷移和傳導形成電勢差，根據電勢差來實現氣體濃度大小的測定。由于這種傳感器在一定溫度下電導率高、靈敏度和選擇性好，所以在冶金石化、能源環(huán)保和宇航交通等各領域均得到了廣泛的應用。

ZrO2氧傳感器是較具有代表性的固體電解質氣體傳感器。通常用CaO、MgO、Y2O3穩(wěn)定的ZrO2做氧離子導體，靈敏度非常高，1000℃ZrO2(CaO)傳感器的測量下限為10—13Pa氧，響應快，可實現跟蹤連續(xù)檢測。該類傳感器的特點是氣敏材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子相同，原理簡單。

目前固體電解質氣體傳感器研究的熱點主要集中下面兩類：一類是氣敏材料吸附待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子不相同的傳感器;另一類是氣敏材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質中移動離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器。這兩類原理相對復雜，有些原理至今仍未得到合理解釋。將用溶膠凝膠法合成的NASICON與BaCO3—LiCO3輔助相復合電極做成小型CO2固體電解質氣體傳感器，發(fā)現該器件對CO2表現出良好的線性敏感特性、快速的響應恢復和較強的抗干擾能力;以NASICON為固體電解質，采用NaNO2為輔助電極構成的傳感器，發(fā)現對NO2和NO的敏感性遠**NaNO2;從K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、AgSO4到NaSiCON、Na-β(β)-Al2O3、Ag-β-Al2O3都被用做SO2氣體傳感器;固體電解質NH-CaCO3、YST-Au-WO3分別被用做NH3與H2S氣體傳感器;本實驗室采用單晶、多晶、LaF3(CaF2)制成H2O、H2、SO2固體電解質傳感器，發(fā)現靈敏度和選擇性都較高。**固體電解質以易成膜，彈性好，質輕，易形成大面積，且制備簡單和原料易得等優(yōu)點也引起眾多研究者的興趣。常見的**固體電解質包括聚乙烯氧化物(PEO)、磷酸氫鈾酰、Nafion高分子等，它們常被用做H2和水蒸氣固體電解質傳感器的氫離子導體(質子導電)。**凝膠電解質傳感器已用于檢測空氣中的H2S、PH3等有害氣體。

3接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式氣體傳感器的原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，溫度約在300～600℃，當可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，燃燒熱進一步使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量電阻變化從而測量氣體濃度。該種氣體傳感器的優(yōu)點是對氣體選擇性好，受溫度和濕度影響小，響應快，已經被廣泛應用在石油化工廠、礦井、浴室和廚房等處。目前實用化的接觸燃燒式氣體傳感器有規(guī)模生產的H2、LPG、CH4檢測用產品，其次是碳化氫與**溶劑蒸氣檢測用產品。但它們對低濃度可燃性氣體靈敏度低，敏感元件受催化劑侵害較嚴重。

4光學式氣體傳感器

光學式氣體傳感器主要以光譜吸收型為主。它的原理是：不同的氣體物質由于其分子結構不同、濃度不同和能量分布的差異而有各自不同的吸收光譜。這就決定了光譜吸收型氣體傳感器的選擇性、鑒別性和氣體濃度的一確定性。若能測出這種光譜便可對氣體進行定性、定量分析。目前已經開發(fā)了流體切換式、流程直接測量式等多種在線紅外吸收式氣體傳感器。在汽車的尾氣中，CO、CO2和烴類物質的濃度，以及工業(yè)燃燒鍋爐中的有害氣體SO2、NO2都可采用光譜吸收型氣體傳感器來檢測。

光學式氣體傳感器類型還包括熒光型、光纖化學材料型等類型。氣體分子受激發(fā)光照射后處于激發(fā)態(tài)，在返回基態(tài)的過程中發(fā)出熒光。由于熒光強度與待測氣體的濃度成線性關系，熒光型氣體傳感器通過測試熒光強度便可測出氣體的濃度。光纖化學材料型氣體傳感器是指在光纖的表面或端面涂一層特殊的化學材料，而該材料與一種或幾種氣體接觸時，引起光纖的耦合度、反射系數、有效折射率等諸多性能參數的變化，這些參數又可以通過強度調制等方法來檢測。例如：涂在光纖上的鈀膜遇H2時候就會膨脹，氣體引起薄膜的膨脹可以通過測量干涉儀的輸出光的強度來測得。

5石英諧振式氣體傳感器

石英諧振式氣敏元件由石英基片、金電極和支架三部分組成。其電極上涂有一層氣體敏感膜，當被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時，敏感膜的質量增加，從而使石英振子的諧振頻率降低。諧振頻率的變化量與被測氣體的濃度成正比。該傳感器結構簡單、靈敏高，但只能使用在室溫下工作的氣體敏感膜。選取聚乙烯亞胺PEI(polyethyleneimine)作敏感膜，發(fā)現該傳感器對CO2的氣敏特性、選擇性都很好，對體積500×10-6的CO2氣體測試，其響應時間為5s，恢復時間為2s。酞菁類聚合物也常被用來制成石英諧振式氣敏元件。目前已經開發(fā)出可測試NH3、SO2、HCl、H2S、醋酸蒸氣的石英諧振式氣體傳感器。

6表面聲波氣體傳感器

表面聲波氣體傳感器發(fā)展的歷史很短，可謂是后起之秀。盡管在實用化方面還存在許多問題，但它符合信號系統(tǒng)數字化、集成化、高精度的方向，因此倍受世界上許多國家的高度重視。表面聲波傳播速度的影響因素很多，例如：環(huán)境溫度、壓力、電磁場、氣體性質、固體介質的質量、電導率等。通過選擇合適的敏感膜來控制諸多影響因素中的一個因素起主導作用。當質量起主導作用時，表面聲波的振蕩頻率與氣體敏感膜的密度成正比;當電導率起主導作用時，表面聲波的振蕩頻率與氣體敏感膜的方塊電導率成反比。設計時，通常采用雙通道延遲線結構來實現對環(huán)境溫度和壓力變化的補償。目前研究的該類氣體傳感器大多采用**膜來做氣敏材料，主要有聚異丁烯、氟聚多元醇等，被用來檢測苯乙烯和甲苯等**蒸氣;酞菁類聚合物薄膜被用來檢測NO2、NH3、CO、SO2等氣體。

詞條
詞條說明
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氣體傳感器主要有幾類？
一、半導體氣體傳感器該種傳感器為氣體傳感器中的主力軍，約占市場份額的60%左右。其是運用氣體在半導體表面的氧化還原反應導致敏感元件組織發(fā)生變化而制成的。其被廣泛應用于可燃氣體的泄漏、甲烷、液化氣、氫氣等的檢測。二、紅外氣體傳感器該種傳感器是基于不同的氣體分子近紅外光譜選擇吸收的特性，運用氣體的濃度與吸收的強度之間的關系進行鑒別氣體組成成分和濃度的傳感器。其被廣泛應用于大氣污染檢測、醫(yī)療、石油化工、