氣體傳感器概述

　　國(guó)外從30年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過(guò)去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體的檢測(cè)與報(bào)警，目前需要檢測(cè)的氣體種類由原來(lái)的還原性氣體(H2,C4H10,CH4)等擴(kuò)展到毒性氣體(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。

　　氣體傳感器種類繁多。按所用氣敏材料及氣敏特性不同，可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式、高分子式等。

　　半導(dǎo)體氣體傳感器

　　這種傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏材料。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。按照檢測(cè)氣敏特征量方式不同分為電阻式和非電阻式兩種。

　　電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是通過(guò)檢測(cè)氣敏元件隨氣體含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來(lái)復(fù)合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了這種氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。例如：WO3氣體傳感器可檢測(cè)NH3的濃度范圍為5 ppm～50 ppm,ZnO-CuO氣體傳感器對(duì)200 ppm的CO非常敏感。

　　非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體含量而變化的原理工作的。主要有MOS二極管式和結(jié)型二極管式，以及場(chǎng)效應(yīng)管式氣體傳感器。檢測(cè)氣體大多為氫氣、硅烷等可燃?xì)怏w。

　　固體電解質(zhì)氣體傳感器

　　固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。如測(cè)量H2S的YST-Au-WO3、測(cè)量NH3的NH4+CaCO3等。

　　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兩種。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測(cè)量電阻變化從而測(cè)量氣體濃度。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)不燃性氣體不敏感。例如，在Pt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，即可以檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

　　高分子氣體傳感器

　　利用高分子氣敏材料的氣體傳感器近年來(lái)得到了很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚異丁烯、氨基十一烷基硅烷等。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。根據(jù)所用材料的氣敏特性，這類傳感器可分為：通過(guò)測(cè)量氣敏材料的電阻來(lái)測(cè)量氣體濃度的高分子電阻式氣體傳感器;根據(jù)氣敏材料吸收氣體時(shí)形成濃差電池，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定氣體濃度的濃差電池式氣體傳感器;根據(jù)高分子氣敏材料吸收氣體后聲波在材料表面?zhèn)鞑ニ俣然蝾l率發(fā)生變化的原理制成的聲表面波氣體傳感器;以及根據(jù)高分子氣敏材料吸收氣體后重量變化而制成的石英振子式氣體傳感器等。高分子氣體傳感器具有對(duì)特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能在常溫下使用，可以補(bǔ)充其它氣體傳感器的不足。

　　氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用

　　用于可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警

　　目前，氣敏材料的發(fā)展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜，并提高了傳感器的選擇性和敏感性?，F(xiàn)有的燃?xì)鈭?bào)警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，并且因催化劑中毒而影響報(bào)警的準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體氣敏材料對(duì)氣體的敏感性與溫度有關(guān)。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達(dá)到峰值。由于這些氣敏材料在需要在較高溫度下(一般大于100℃)達(dá)到敏感度最好，這不僅要消耗額外的加熱功率，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)。

　　氣體傳感器的發(fā)展解決了這一問(wèn)題。例如，氧化鐵系氣敏陶瓷所制的氣體傳感器，不需要添加貴金屬催化劑就可造成靈敏度高、穩(wěn)定性好、具有一定選擇性的氣體傳感器。降低半導(dǎo)體氣敏材料的工作溫度，大大提高它們?cè)诔叵碌撵`敏度，使其能在常溫下工作。目前，除了常用的單一金屬氧化物陶瓷外，又開發(fā)了一些復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏陶瓷和混合金屬氧化物氣敏陶瓷。

　　將氣體傳感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、使用等場(chǎng)所中，及時(shí)檢測(cè)氣體含量，及早發(fā)現(xiàn)泄漏事故。并將氣體傳感器與保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，使保護(hù)系統(tǒng)在氣體到達(dá)爆炸極限前動(dòng)作，將事故損失控制在最低。同時(shí)，氣體傳感器的小型化和價(jià)格的降低，使之進(jìn)入家庭成為可能。