氣體傳感器原理；分析氣體傳感器選擇及其分類；氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭；氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間；根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型；穩(wěn)定性：傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，；響應(yīng)特性（反應(yīng)時(shí)間）：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了；線性范圍：傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的；靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)

氣體傳感器原理

分析氣體傳感器選擇及其分類

氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進(jìn)行化學(xué)處理，以便化學(xué)傳感器進(jìn)行更快速的測量。

氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。目前，氣體的采樣方式主要是通過簡單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測器。（簡單擴(kuò)散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標(biāo)氣體穿過探頭內(nèi)的傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于氣體體積分?jǐn)?shù)的信號(hào)。由于擴(kuò)散過程漸趨減慢，所以擴(kuò)散法需要探頭的位置非常接近于測量點(diǎn)。擴(kuò)散法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將氣體樣本直接引入傳感器而無需物理和化學(xué)變換。樣品吸入式探頭通常用于采樣位置接近處理儀器或排氣管道。這種技術(shù)可以為傳感器提供一種速度可控的穩(wěn)定氣流，所以在氣流大小和流速經(jīng)常變化的情況下，這種方法較值得推薦。將測量點(diǎn)的氣體樣本引到測量探頭可能經(jīng)過一段距離，距離的長短主要是根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)，但采樣線較長會(huì)加大測量滯后時(shí)間，該時(shí)間是采樣線長度和氣體從泄漏點(diǎn)到傳感器之間流動(dòng)速度的函數(shù)。對于某種目標(biāo)氣體和汽化物，如SiH4以及大多數(shù)生物溶劑，氣體和汽化物樣品量可能會(huì)因?yàn)槠湮阶饔蒙踔聊Y(jié)在采樣管壁上而減少。）

根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。

穩(wěn)定性：傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。

響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間）：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。

線性范圍：傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。

靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類，從工作原理、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。

通常以氣敏特性來分類，主要可分為：半導(dǎo)體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光化學(xué)型氣體傳感器、高分子氣體傳感器等。

半導(dǎo)體氣體傳感器

半導(dǎo)體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做成的元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化。這些都是由材料的半導(dǎo)體性質(zhì)決定的。

自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用普遍、具有實(shí)用價(jià)值的一類氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機(jī)制可以分為電阻式和非電阻式兩種。

電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜(例如：Sn02，ZnO Fe203，Ti02等)制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣味分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器傳導(dǎo)率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。它具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下、對氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想、功率要求高.當(dāng)探測氣體中混有硫化物時(shí)，容易中毒?，F(xiàn)在除了傳統(tǒng)的SnO，Sn02和Fe203三大類外，又研究開發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。另外，通過在半導(dǎo)體內(nèi)添加Pt，Pd，Ir等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。它能降低被測氣體的化學(xué)吸附的活化能，因而可以提高其靈敏度和加快反應(yīng)速度。催化劑不同，導(dǎo)致有利于不同的吸附試樣，從而具有選擇性。例如各種貴金屬對Sn02基半導(dǎo)體氣敏材料摻雜，Pt，Pd，Au提高對CH4的靈敏度，Ir降低對CH4的靈敏度；Pt，Au提高對H2的靈敏度，而Pd降低對H2的靈敏度。利用薄膜技術(shù)、超粒子薄膜技術(shù)制造的金屬氧化物氣體傳感器具有靈敏度高(可達(dá)10-9級)、一致性好、小型化、易集成等特點(diǎn)。 非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場效應(yīng)管式(MOSFET)半導(dǎo)體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測氫和硅燒氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而識(shí)別VOC。通過改變催化金屬的種類和膜厚可優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜，成本高。

電化學(xué)型氣體傳感器

電化學(xué)型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，近年來，又開發(fā)了檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^測量電解時(shí)流過的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測CO，NO，N02，02，S02等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測

氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)已電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。 固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。20世紀(jì)70年代開始，固體電解質(zhì)氣體傳感器由于電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量大、應(yīng)用廣，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。近來國外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類：

1)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子相同的傳感器，例如氧氣傳感器等。

2)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子不相同的傳感器，例如用于測量氧氣的由固體電解質(zhì)SrF2H和Pt電極組成的氣體傳感器。

3)材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，例如新開發(fā)高質(zhì)量的C02固體電解質(zhì)氣體傳感器是由固體電解質(zhì)

NASICON(Na3Zr2Si2P012)和輔助電極材料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03，Li2C03- BaC03組成的。

目前新近開發(fā)的高質(zhì)量固體電解質(zhì)傳感器絕大多數(shù)屬于第三類。又如：用于測量N02的由固體電解質(zhì)NaSiCON和輔助電極N02- Li2C03制成的傳感器；用于測量H2S的由固體電解質(zhì)YST-Au-W03制成的傳感器；用于測量NH3的由固體電解質(zhì)NH4-Ca203制成的傳感器；用于測量N02的由固體電解質(zhì)Ag0.4Na7.6和電極Ag-Au制成的傳感器等。

接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，其工作原理是氣敏材料(如Pt電熱絲等)在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發(fā)生變化。這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測各種可燃?xì)怏w。這種傳感器有時(shí)稱之為熱導(dǎo)性傳感器，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報(bào)警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測。

氣體傳感器的研究進(jìn)展

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(zhì)量的檢測都提出了更高的要求，作為感官或信號(hào)輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。氣體傳感器能夠?qū)崟r(shí)對各種氣體進(jìn)行檢測和分析，具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；加上微電子、微加工技術(shù)和自動(dòng)化、智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得氣體傳感器體積變小、價(jià)格低廉、使用方便，因此它在軍事、醫(yī)學(xué)、交通、環(huán)保、質(zhì)檢、防偽、家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(xiàng)性能指標(biāo)的進(jìn)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，世界各國紛紛投巨資進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究。

氣體傳感器的種類很多，分類標(biāo)準(zhǔn)不一，根據(jù)傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機(jī)理和效應(yīng)不同主要可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光學(xué)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(dǎo)體氣體傳感器

半導(dǎo)體氣體傳感器分為金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器和有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器。

1.1金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器

自上世紀(jì)60年代以來，金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)氣體傳感器的半壁江山。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(diǎn)主要集中在復(fù)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(dǎo)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(dǎo)體傳感器

SnO2、ZnO是電阻式金屬氧化物半導(dǎo)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(yīng)，屬于表面控制型，但該類半導(dǎo)體傳感器的使用溫度較高，大約200～500℃。為了進(jìn)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(yīng)時(shí)間。采用粉末濺射技術(shù)制備的表面層摻雜SnO2 /SnO2：Pt雙層膜來檢測CO的濃度，發(fā)現(xiàn)可降低工作溫度，在室溫至200℃溫度范圍內(nèi)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能使其對氟里昂更加敏感，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(xué)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(jià)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(shù)和集成電路技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單、制作方便，

可以根據(jù)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(dǎo)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。

表1近期開發(fā)的一些氣體傳感器敏感材料

檢測氣體 敏感材料

CH4 Rh－SnO2、CeO2－SnO2

CO Au/Co3O4、Cu－ZnO2

H2 Sb2O3－SnO2、Bi2O3－SnO2

CO2 La2O3－SnO2、CaO－La2O3、Ag－CuO－BaTiO2、Cu－BaSnO2、

BaCe0.25Y0.05O3-x、Cu－SnTiO3

NH3 Au/WO3、Cr1.8TiO3

C2H5OH Pd－La2O3－SnO2、 Pd－La2O3－In2O3

H2S ZnO－SnO2、CuO－SnO2、Ag－SnO2、Au－WO3

NOX In－TiO2、In2O3、Cd－SnO2、WO3、Ga－ZnO、In，Al－SnO2、Cr2O5－Nb2O5、V/In－SnO2

SO2 LiSO4－CaSO4－SiO2

PH3 ZnO、SnO2、 Sr1-yCayFeO3-x(y=0.05,1)、Fe2O3系

1.1.2非電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器

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

氫氣敏Pd柵MOSEFT是早研制成的催化金屬柵場效應(yīng)氣體傳感器，當(dāng)氫氣與Pd發(fā)生作用時(shí)，場效應(yīng)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(jié)構(gòu)的氣體傳感器對氫氣的靈敏度可達(dá)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(yīng)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(yīng)晶體管的柵極，Pt作金屬柵可制成氧氣敏場效應(yīng)管型氣體傳感器[]。A.Fuchs等人用帶有KI敏感膜的場效應(yīng)管氣體傳感器可以很好的實(shí)現(xiàn)O3的檢測，在20～80ppb濃度范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)了對乙醇?xì)怏w的檢測。

晶體管型氣體傳感器的原理是吸附在金屬與半導(dǎo)體界面間的氣體使得半導(dǎo)體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)發(fā)生變化，通過半導(dǎo)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(gòu)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有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器

有機(jī)半導(dǎo)體材料由于其易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉,易與微結(jié)構(gòu)傳感器相結(jié)合, 并且可以根據(jù)功能需要進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和合成等諸多優(yōu)點(diǎn)越來越受到國內(nèi)外研究人員的重視。

酞菁類聚合物是有機(jī)半導(dǎo)體敏感材料的代表，它們所具有的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得吸附氣體分子與有機(jī)半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系。不同的酞菁聚合物可選擇如真空升華技術(shù)、LB膜技術(shù)、旋涂技術(shù)和自組織膜技術(shù)等制膜技術(shù)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(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)結(jié)合使用。謝丹等人在MOSFET基礎(chǔ)上,根據(jù)電荷流動(dòng)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，取代中間柵極中的間隙位置，利用LB超分子薄膜技術(shù)，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(dòng)場效應(yīng)管（CFT）上，形成一種新型的具有CFT結(jié)構(gòu)的LB膜NO2氣體傳感器，室溫下檢測NO2靈敏度可達(dá)5ppm[]。此外，聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、β―胡蘿卜素等[]近年來也被用作有機(jī)半導(dǎo)體氣敏材料受到人們關(guān)注。

2 固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)指的是依靠離子或質(zhì)子來實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)的一類固態(tài)物質(zhì)。固體電解質(zhì)氣體傳感器的原理是敏感材料在一定氣氛中會(huì)產(chǎn)生離子，離子的遷移和傳導(dǎo)形成電勢差，根據(jù)電勢差來實(shí)現(xiàn)氣體濃度大小的測定。由于這種傳感器在一定溫度下電導(dǎo)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(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。

ZrO2氧傳感器是具有代表性的固體電解質(zhì)氣體傳感器。通常用 CaO、MgO、Y2O3穩(wěn)定的ZrO2做氧離子導(dǎo)體，靈敏度非常高，1000℃ZrO2（CaO）傳感器的測量下限為10―13Pa氧，響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)跟蹤連續(xù)檢測[]。該類傳感器的特點(diǎn)是氣敏材料中吸附待測氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子相同，原理簡單。

目前固體電解質(zhì)氣體傳感器研究的熱點(diǎn)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(zhì)中的移動(dòng)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(zhì)中移動(dòng)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(fù)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(fù)合電極做成小型CO2固體電解質(zhì)氣體傳感器，發(fā)現(xiàn)該器件對CO2表現(xiàn)出良好的線性敏感特性、快速的響應(yīng)恢復(fù)和較強(qiáng)的抗干擾能力[]；以NASICON為固體電解質(zhì)，采用NaNO2為輔助電極構(gòu)成的傳感器，發(fā)現(xiàn)對NO2和NO的敏感性遠(yuǎn)優(yōu)于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(zhì)NH -CaCO3、YST-Au-WO3分別被用做NH3與H2S氣體傳感器[]； 本實(shí)驗(yàn)室采用單晶、多晶、LaF3(CaF2)制成H2O、H2、SO2固體電解質(zhì)傳感器，發(fā)現(xiàn)靈敏度和選擇性都較高[]。有機(jī)固體電解質(zhì)以易成膜，彈性好，質(zhì)輕，易形成大面積，且制備簡單和原料易得等優(yōu)點(diǎn)也引起眾多研究者的興趣。常見的有機(jī)固體電解質(zhì)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(zhì)傳感器的氫離子導(dǎo)體（質(zhì)子導(dǎo)電）。有機(jī)凝膠電解質(zhì)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工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，溫度約在300～600℃，當(dāng)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(jìn)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(diǎn)是對氣體選擇性好，受溫度和濕度影響小，響應(yīng)快，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在石油化工廠、礦井、浴室和廚房等處。目前實(shí)用化的接觸燃燒式氣體傳感器有規(guī)模生產(chǎn)的H2、LPG、CH4檢測用產(chǎn)品,其次是碳化氫與有機(jī)溶劑蒸氣檢測用產(chǎn)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(yán)重。

4 光學(xué)式氣體傳感器

光學(xué)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(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)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唯一確定性。若能測出這種光譜便可對氣體進(jìn)行定性、定量分析。目前已經(jīng)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(zhì)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(xué)式氣體傳感器還包括熒光型、光纖化學(xué)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(qiáng)度與待測氣體的濃度成線性關(guān)系，熒光型氣體傳感器通過測試熒光強(qiáng)度便可測出氣體的濃度。光纖化學(xué)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(xué)材料，而該材料與一種或幾種氣體接觸時(shí)，引起光纖的耦合度、反射系數(shù)、有效折射率等諸多性能參數(shù)的變化，這些參數(shù)又可以通過強(qiáng)度調(diào)制等方法來檢測。例如：涂在光纖上的鈀膜遇H2時(shí)候就會(huì)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(qiáng)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(dāng)被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時(shí)，敏感膜的質(zhì)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(jié)構(gòu)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(poly ethylene imine)作敏感膜,發(fā)現(xiàn)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(yīng)時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)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(jīng)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(shí)用化方面還存在許多問題，但它符合信號(hào)系統(tǒng)數(shù)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(zhì)、固體介質(zhì)的質(zhì)量、電導(dǎo)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(gè)因素起主導(dǎo)作用。當(dāng)質(zhì)量起主導(dǎo)作用時(shí)，表面聲波的振蕩頻率與氣體敏感膜的密度成正比；當(dāng)電導(dǎo)率起主導(dǎo)作用時(shí)，表面聲波的振蕩頻率與氣體敏感膜的方塊電導(dǎo)率成反比。設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用雙通道延遲線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度和壓力變化的補(bǔ)償。目前研究的該類氣體傳

感器大多采用有機(jī)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有機(jī)蒸氣；酞菁類聚合物薄膜被用來檢測ＮＯ２、ＮＨ３、ＣＯ、ＳＯ２等氣體。 7 氣體傳感器的發(fā)展方向

氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究內(nèi)容。要切實(shí)提高傳感器各方面的性能指標(biāo)需要多學(xué)科、多領(lǐng)域研究工作者的協(xié)同合作。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)一直受到研究人員的關(guān)注。未來氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作。具體表現(xiàn)如下:

氣敏材料的進(jìn)一步開發(fā)一方面尋找新的添加劑對已開發(fā)的氣敏材料性能進(jìn)行進(jìn)一步提高；另一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術(shù)尋找性能更加優(yōu)越的氣敏材料。 新型氣體傳感器的開發(fā)和設(shè)計(jì)根據(jù)氣體與氣敏材料可能產(chǎn)生的不同效應(yīng)設(shè)計(jì)出新型氣體傳感器。近年來表面聲波氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器等新型傳感器的開發(fā)成功進(jìn)一步開闊了設(shè)計(jì)者的視野。目前仿生氣體傳感器也在研究中。

氣體傳感器傳感機(jī)理的進(jìn)一步研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮，很有必要在理論上對它們的傳感機(jī)理進(jìn)行深度的研究。只有機(jī)理明確了，下一步的工作才會(huì)少走彎路。 氣體傳感器的智能化生產(chǎn)和生活日新月異的發(fā)展對氣體傳感器提出了更高的要求，氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。

仿生氣體傳感器的迅速發(fā)展 警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的＂電子鼻＂將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。

 

轉(zhuǎn)載請注明出處：傳感器應(yīng)用_儀表儀器應(yīng)用_電子元器件產(chǎn)品 – 工采資訊 http://www.negome.com/3974.html