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幾種常見氣體傳感器的研究進展
日期：2025-10-30 06:58
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摘要：
幾種常見氣體傳感器的研究進展
摘要：氣體傳感器日漸發(fā)展，其應(yīng)用的范圍越來越廣，特別是在環(huán)境質(zhì)量檢測和工業(yè)生產(chǎn)過程**檢測、保障人民的生命**等方面越加廣泛。簡要介紹了各種氣體傳感器的工作原理，并對常見幾種有毒性氣體（一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫及氮化物）和可燃性氣體（氫氣、甲烷）的各種類型傳感器的研究進展和工作機理以及敏感材料進行了介紹，同時對MEMS工藝制作氣體傳感器進行了展望。
一、前言
1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了**個氣敏傳感器，1982年英國Warwick大學(xué)的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1]，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等?，F(xiàn)在各國研究主要針對的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時間以及降低成本和智能化等。
下面簡單介紹各種常用的氣體傳感器的工作原理和一些常用氣體傳感器的*新的研究進展。
二、氣體傳感器的分類和工作原理
氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。
電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)半導(dǎo)體接觸到氣體時其阻值的改變來檢測氣體的濃度；非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)使其某些特性發(fā)生變化對氣體進行直接或間接的檢測。
接觸燃燒式氣體傳感器是基于強催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理而設(shè)計的。另外與半導(dǎo)體傳感器不同的是，它幾乎不受周圍環(huán)境濕度的影響。電容式氣體傳感器則是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導(dǎo)致電容變化的原理而設(shè)計。
電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學(xué)電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個是固定的參比電極。電化學(xué)式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)又分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關(guān)系進行測量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。
紅外吸收型傳感器，當(dāng)紅外光通過待測氣體時， 這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯—比爾(Lambert－Beer)吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度：
式中，am—摩爾分子吸收系數(shù)；C—氣體濃度；L—光和氣體的作用長度；b—瑞利散射系數(shù)；g—米氏散射系數(shù)；d—氣體密度波動造成的吸收系數(shù)；I0、I—分別是輸入輸出光強。
聲表面波傳感器的關(guān)鍵是SAW(surface acousticwave)振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩器。SAW傳感器自身固有一個振蕩頻率，當(dāng)外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度。
三、幾種常見氣體的傳感器
我們這里只介紹用于檢測幾種具有代表性的有毒氣體或大氣污染氣體（CO、NOx、SO2、CO2）和可燃燒性氣體（H2、CH4）的氣體傳感器。檢測這些氣體，有利于提高人們生活的質(zhì)量，保護周圍的生態(tài)環(huán)境，保障機器的正常**生產(chǎn)，甚至保護人民的生命**。
1、CO傳感器和*新敏感材料
對CO氣體檢測的適用方法有比色法、半導(dǎo)體法、紅外吸收探測法、電化學(xué)氣體傳感器檢測法等。
比色法是根據(jù)CO氣體是還原性氣體，能使氧化物發(fā)生反應(yīng)，因而使化合物顏色改變，通過顏色變化來測定氣體的濃度，這種傳感器的主要優(yōu)點是沒有電功耗。
半導(dǎo)體CO傳感器，通過溶膠—凝膠法獲得SnO2基材料，在基材料中摻雜金屬催化劑來測定氣體[5]?，F(xiàn)國外有研究對SnO2基材料中摻雜Pt、Pd、Au等，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器工作在220οC時，在SnO2中摻雜2％的Pt時，傳感器對CO具有*大的敏感度。由于氣體傳感器的交叉感應(yīng)，使得CO傳感器對很多氣體如H2、CO2、H2O等都有感應(yīng)，但是采用上面的方法使得對其他氣體的敏感度下降很多[6]。
CO電化學(xué)氣體傳感器敏感電極如常用的金屬材料電化學(xué)電極有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等過渡金屬元素，這類元素具有空余的d、f電子軌道和多余的d、f電子，可在氧化還原的過程中提供電子空位或電子，也可以形成絡(luò)合物，具有較強的催化能力[7]。又研制了一種新型的CO電化學(xué)式氣體傳感器，即把多壁碳納米管自組裝到鉑微電極上，制備多壁碳納米管粉末微電極，以其為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，Pt絲為對比電極，多孔聚四氟乙烯膜作為透氣膜制成傳感器，對CO具有顯著的電化學(xué)催化效應(yīng)，其響應(yīng)時間短，重復(fù)性好[8]。
利用CO氣體近紅外吸收機理，研究了一種光譜吸收型光纖CO氣體傳感器，該儀器檢測靈敏度可達到0.2′10-6【9】。另一種光學(xué)型傳感器是用溶膠—凝膠鹽酸催化法和超聲制得SiO2薄膜，將薄膜浸入氯化鈀、氯化銅混合溶液，勻速提拉，干燥后制得敏感膜，利用鈀鹽與CO反應(yīng)，生成鈀單質(zhì)，引起吸光度變化[10]。
現(xiàn)知國外有研究，采用超頻率音響增強電鍍鐵酸鹽方法獲得磁敏感膜，磁飽和度和矯頑磁力決定對氣體的響應(yīng)敏感度。當(dāng)溫度加熱到85οC時，得到*大響應(yīng)，檢測范圍333ppm～5000ppm[11]。
2、CO2傳感器和*新敏感材料
目前人們已經(jīng)研究開發(fā)出了紅外線吸收法、電化學(xué)式、熱傳導(dǎo)式、電容式及固體電介質(zhì)CO2傳感器及檢測儀，其中紅外線吸收法和色譜法方法與CO基本相似。
固體電解質(zhì)CO2氣體傳感器是由Gauthier提出的[12]。初期用K2CO3固體電解質(zhì)制備的電位型CO2傳感器，受共存水蒸氣影響很大，難以實用；后來有人利用穩(wěn)定化鋯酸鹽ZrO2-MgO設(shè)計一種CO2敏感傳感器，LaF3單晶與金屬碳酸鹽相結(jié)合制成的CO2傳感器具有良好的氣敏特性，在此基礎(chǔ)上有人提出利用穩(wěn)定化鋯酸鹽/碳酸鹽相結(jié)合成的傳感器。1990年日本山添等人采用NASICON(Na+超導(dǎo)體)固體電解質(zhì)和二元碳酸鹽(BaCO3Na2CO3)電極，使傳感器響應(yīng)特性有了大的改進【13】。但是，這類電位型的固態(tài)CO2傳感器需要在高溫(400～600℃)下工作，且只適宜于檢測低濃度CO2，應(yīng)用范圍受到限制。
現(xiàn)有采用聚丙烯腈(PAN )、二甲亞砜(DM SO)和高氯酸四丁基銨(TBAP)制備了一種新型固體聚合物電解質(zhì)。以恰當(dāng)用量配比PAN(DM SO)2(TBA P)2聚合物電解質(zhì)呈有高達10- 4S·cm-1的室溫離子電導(dǎo)率和好的空間網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，由其在金微電極上成膜構(gòu)成的全固態(tài)電化學(xué)體系，在常溫下對CO2氣體有良好的電流響應(yīng)特性，消除了傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器因電解液滲漏或干涸帶來的弊端，又具有體積小、使用方便的獨到優(yōu)點【14】。
電容式傳感器是利用金屬氧化物一般比其碳酸鹽的介電常數(shù)要大，利用電容的變化來檢測CO2。報道采用溶膠—凝膠法，以醋酸鋇和鈦酸丁脂為原材料，乙醇和醋酸為溶劑制備了BaTiO3納米晶材料。采用這種納米晶材料為基體，制備電容式CO2氣體傳感器【15】。
光纖CO2傳感器利用CO2與水結(jié)合后，生成的碳酸酸性很弱，其酸性的檢測多采用靈敏度較高的熒光法，如楊榮華等人〔16〕研制的基于熒光碎滅原理的固定有葉琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用環(huán)糊精對葉琳的熒光增強效應(yīng)，且該熒光能被溶液中二氧化碳碎滅，該膜響應(yīng)速度快、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強，測定碳酸的范圍達到了4.75×10-7～3.90×10-5mol/L，這對化學(xué)傳感器來說是一個較好的性能指標(biāo)。該方法克服了化學(xué)發(fā)光傳感器消耗試劑的不足，不必連續(xù)不斷地在反應(yīng)區(qū)加送試劑。
