發布日期：2023-04-15 點擊率：140
所謂氣體傳感器，是一種可以檢查出目視不到的氣體存在的傳感裝置。在以家用天燃氣·丙烷氣體報警器為主的空調與空氣潔凈器、汽車等領域廣泛得到應用。現在對4種氣體檢測原理進行說明。
半導體式氣體傳感器
在潔凈的空氣中，氧化錫表面吸附的氧會束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動的狀態。
在泄漏的氣體（還原性氣體）環境中，表面的氧與還原氣體反應后消失，氧化錫中的電子重獲自由，受此影響，電子流動通暢。
當氧化錫粒子在數百度的溫度下暴露在氧氣中時，氧氣捕捉粒子中的電子后，吸附于粒子表面。結果，在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由于氣體傳感器使用的氧化錫粒子一般都很小，因此在空氣中整個粒子都將進入電子耗盡層的狀態。這種狀態稱為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達到耗盡層的狀態稱為域衰竭（regional depletion）。
使氧氣分壓從零（flat band開始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時，能帶結構與電子傳導分布的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）。在容衰竭（volume depletion）狀態下，電子耗盡層的厚度變化結束，產生費米能級轉換pkT，電子耗盡狀態往前推進則pkT增大，后退則pkT縮小。
 | x:半徑方向的距離qV(x):勢壘a:離子半徑[O-]:吸附氧氣的濃度EC:傳導帶下端EF:費米能級pkT:費米能級轉換 |
| [e]:電子濃度Nd:施子密度 |
容衰竭（volume depletion）狀態下球狀氧化錫粒子表面的電子濃度[e]S可用施子密度Nd、粒子半徑a以及德拜長度LD通過式子（1）表示。如果p增大則[e]S減少，p減少則[e]S增大。
[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)
由大小、施子密度相同的球狀氧化錫粒子組成的傳感器的電阻值R，可使用flat band時的電阻值R0，通過式子（2）表示。[e]S減少則將增大，[e]S增大則將縮小。
R/R0= Nd/[e]S ... (2)
使用了氧化錫的半導體式氣體傳感器，就是這樣通過氧化錫粒子表面的[O-]的變化來體現電阻值R的變化。
置于空氣中被加熱到數百度的氧化錫粒子，一旦暴露于一氧化碳這樣的還原性氣體中，其表面吸附的氧氣與氣體之間發生反應后，使[O-]減少，結果是[e]S增大，R縮小。消除還原性氣體后，[O-]增大到暴露于氣體前的濃度，R也將恢復到暴露于氣體前的大小。使用氧化錫的半導體式氣體傳感器就是利用這個性能對氣體進行檢測。
催化燃燒式氣體傳感器由對可燃氣體進行反應的檢測片（D）和不與可燃氣體進行反應的補償片（C）2個元件構成。如果存在可燃氣體的話，只有檢測片可以燃燒，因此檢測片溫度上升使檢測片的電阻增加。
相反，因為補償片不燃燒，其電阻不發生變化（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋回路（圖2），不存在可燃氣體的氛圍中，可以調整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態。
然后，當氣體傳感器暴露于可燃氣體中時，只有檢測片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個變化表現為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關系，因此可以通過測定電壓而檢出氣體濃度。
圖1 CO的陽極氧化反應和氧氣陰極還原反應之
典型分極曲線圖
TGS5xxx系列是一種利用短路電流作為傳感器信號的質子導體一氧化碳(CO)傳感器。
氣敏層的基本組成部分包括：工作電極、對電極以及貼合于它們之間的質子導電膜。
當傳感器置于潔凈的空氣中，工作電極與對電極之間沒有通過外部導線連接時，即在開路條件下，工作電極和對電極上分別發生電化學反應(1)，使工作電極和對電極上都形成平衡電位(E1)
2H+ + 1/2O2 + 2e- ? H2O ...(1)
將傳感器置于CO與空氣的混合氣體中，處于開路條件時，在工作電極上，同時以相同的速度發生著CO的陽極氧化反應(2)和氧氣的陰極還原反應(3)，由此形成局部電池。
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e- ...(2)
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ...(3)
結果,工作電極的電位從E1變為混合電位(EM)，正常情況下此時陽極電流i(2)和陰極電流i(3)的絕對值相等，處于穩定狀態(圖1)。到達工作電極的CO流入量受到擴散控制系統的限制(例如,TGS5xxx系列傳感器中使用了不銹鋼氣體擴散控制片)，得到與CO濃度呈線性正比關系的擴散極限電流(圖1)。由于在對電極上只發生了式(1)反應 ，所以對電極的電位仍然是E1。因此，這樣的電位差型(混合電位型)傳感器的靈敏信號可以由EM - E1給出，EM - E1信號與空氣中CO濃度的對數呈比例關系。
當空氣中存在CO時，通過外部導線將工作電極與對電極連接，形成短路狀態后，如圖1所示，兩個電極的電位轉變為介于E1和EM之間的一個相同值(Esc)。
由于工作電極的電位朝著使式(3)反應減速的方向變化，工作電極上消耗的質子逐漸趨少。因此，多余的質子將通過質子導電膜從工作電極向對電極轉移，并且這些多余的質子數量與空氣中的CO濃度成正比，它們在對電極上被式(3)的反應所消耗。這個過程就是等價電子作為短路電流(即傳感器輸出電流)通過外部導線從工作電極向對電極的流動，它也與CO濃度成直線性的比例關系(圖2)。
圖2 短路電流式質子導體CO傳感器的感應原理
將傳感器移回至潔凈空氣中時，工作電極上只發生式(1)反應，由于兩個電極之間的電位差消失，外部導線中電流無法通過。因此，本傳感器對CO具有可逆的安培響應。
這種短路電流式CO傳感器由于CO濃度與傳感器輸出電流之間呈線性關系，使其和傳感器響應與空氣中CO濃度對數成正比關系的電位差式CO傳感器相比，可感應濃度更為精確。只要通過使用已知CO濃度的氣體對輸出電流進行校準，本傳感器就可用于對CO濃度的定量檢測。
圖3 CO濃度與傳感器輸出電流的關系
通過外部電路的短路電流(傳感器輸出電流)與氣體濃度呈式(4)所示的比例關系(圖3)。
I = F × (A/σ) × D × C × n ...(4)
其中:
I: 傳感器輸出電流、F: 法拉第常數、
A: 質子交換膜針孔面積、σ：質子交換膜厚度、
D: 氣體擴散系數、C: 氣體濃度、n: 反應電子數
與常規的干電池不同，傳感器內部的固體液體活性材料或電極不會被消耗。這確保了本傳感器良好的長期穩定性，并且可以長期免維護保養進行使用。 而且，本傳感器不需要加熱就能自發輸出電流，是電池供電型一氧化碳探測器的理想選擇。
NDIR(non-dispersive infrared)式氣體傳感器是通過由入射紅外線引發對象氣體的分子振動，利用其可吸收特定波長紅外線的現象來進行氣體檢測的。紅外線的透射率（透射光強度與源自輻射源的放射光強度之比）取決于對象氣體的濃度。
傳感器由紅外線放射光源、感光素子、光學濾鏡以及收納它們的檢測匣體、信號處理電路構成。在單光源雙波長型傳感器中，在2個感光素子的前部分別設置了具有不同的透過波長范圍閾值的光學濾鏡，通過比較可吸收檢測對象氣體波長范圍與不可吸收波長范圍的透射量，就可以換算為相應的氣體濃度。因此，雙波長方式可實現長期而又穩定的檢測。
用中波段紅外線照射氣體后，由于氣體分子的振動數與紅外線的能級處于同一個光譜范疇，紅外線與分子的固有振動數發生共振后，在分子振動時被氣體分子所吸收。
氣體濃度與紅外線透射率的關系可通過下述朗伯-比爾定律進行說明。對于NDIR式氣體傳感器來說，對象氣體的吸光度ε與光程d是不變的，在與成為對象的氣體吸收能（波長）一致的光譜范疇，通過測定紅外線的透射率T，即可得到對象氣體的濃度c。
來自放射源的入射光強度I0，是通過使用不吸收紅外線的零點氣體校準后設定的。吸光度ε是利用已知濃度的對象氣體進行校準后進行初始設定的。
因為紅外線是根據目標氣體固有的紅外能量（波長）被吸收的，所以氣體選擇性非常高成為其最大的特長。即使在高濃度的對象氣體中長時間進行暴露，也從原理上避免了靈敏度的不可逆變化。
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