發布日期：2022-10-09 點擊率：44
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氣體傳感器主要用于針對某種特定氣體進行檢測，測量該氣體在傳感器附近是否存在，或在傳感器附近空氣中的含量。因此，在安全系統中，氣體傳感器通常都是不可或缺的。這些傳感器可以為安全系統提供可燃、易燃和有毒氣體的信息，以及區域內氧氣的消耗，二氧化碳的比例。
? 氣體傳感器從檢測氣體種類上，常分為可燃氣體傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學、金屬半導 體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體傳感器（常采用紅外、紫外等）、氧氣（常采用順磁式、氧化鋯式）等其它類傳感器;從儀表使用方法上，分為便攜式和 固定式;從獲得氣體樣品的方式上，分為擴散式（即傳感器直接安裝在被測對象環境中，實測氣體通過自然擴散與傳感器檢測元件直接接觸）、吸入式（是指通過使 用吸氣泵等手段，將待測氣體引入傳感器檢測元件中進行檢測。
根據對被測氣體是否稀釋，又可細分為完全吸入式和稀釋式等）;從分析氣體組分上，分為單一式（僅對特定氣體進行檢測）和復合式（對多種氣體成分進行同時檢測）;按傳感器檢測原理，分為熱學式、電化學式、磁學式、光學式、半導體式、氣相色譜式等。
電化學氣體傳感器
相當一部分的可燃性的、有毒有害氣體，比如硫化氫、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，都有電化學活性，可以被電化學氧化或者還原。利用這些反應，可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學傳感器正是基于這種原理。
電化學傳感器擁有很多子類：
原電池型氣體傳感器
這種傳感器也被稱為加伏尼電池型氣體傳感器，或燃料電池型氣體傳感器、自發電池型氣體傳感器。他們原理與我們日常使用的干電池相同，只不過電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽極，那里鉛金屬被氧化。因此電流大小與氧氣濃度直接相關。這種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。
恒定電位電解池型氣體傳感器
這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效，它原理與原電池型傳感器不一樣，電化學反應是電流強制下發生，是一種真正庫侖分析傳感器。這種傳感器已經成功用于一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼等氣體檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測主流傳感器。
注：庫侖分析是指根據電解過程中消耗的電量，由法拉第定律來確定被測物質含量的方法。
濃差電池型氣體傳感器
這種傳感器具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側，會自發形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關，這種傳感器的成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型二氧化碳檢測儀。
極限電流型氣體傳感器
這是一種測量氧氣濃度的傳感器，工作原理是基于穩定氧化鋅固體電解質的氧泵作用，通過氣體擴散控制供給陰極的氧而得到極限電流。這種傳感器目前主要用于鍋爐的燃燒控制、鋼水中氧氣濃度檢測，以及汽車的氧氣檢測。
半導體式氣體傳感器
半導體式氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反映，導致敏感元件阻值變化：
氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體，被成為氧化型氣體——電子接收型氣體；
氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體——電子供給型氣體。
當氧化（還原）型氣體吸附到N（P）型半導體上，半導體的載流子減少（增多），電阻率上升（下降）；吸附到P（N）型半導體上，半導體的載流子增多（減少），電阻率下降（上升）。（可以看出氧化和還原型半導體是截然相反的）因此從這些性質可以有效的檢測出對應的氣體。
半導體式氣體傳感器可以有效用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體檢測。尤其是，這種傳感器成本低廉，可以同時滿足工業與民用的需求。
缺點：穩定性較差，受環境影響較大，不宜應用于計量準確要求場所。
催化燃燒式氣體傳感器
這種傳感器實際上是基于鉑電阻溫度傳感器的一種氣體傳感器，即在鉑電阻表面制備耐高溫催化劑層，在一定溫度下，可燃氣體在表面催化燃燒，因此鉑電阻溫度升高，導致電阻的阻值變化。
由于催化燃燒式氣體傳感器鉑電阻外通常由多孔陶瓷構成陶瓷珠包裹，因此這種傳感器通常也被成為催化珠氣體傳感器。理論上這種傳感器可以檢測所有可以燃燒的氣體，但實際應用中有很多例外。這種傳感器通常可以用于檢測空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃氣體。
基于鉑電阻優良的溫度特性，這種傳感器具有計量準確，響應快速。傳感器輸出與環境爆炸危險直接相關，安全檢測領域是一類主導位傳感器。
缺點是需要在充足的氧氣環境中工作（畢竟需要燃燒）；暗火工作，有引燃爆炸危險；大部分元素有機蒸汽對傳感器都有中毒作用；由于催化劑不斷消耗，零點和量程會發生漂移，需要頻繁的標定和調節。
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光離子化氣體傳感器
通常被稱為PID，即PhotoionizaTIon Detector的縮寫（儀控君在此特別提示，此PID不是比例微分積分）。這是一種具有極高靈敏度，用途廣泛的檢測器，可以檢測從10ppb到較高濃度的ppm的揮發性有機物和其他有毒氣體。許多有害物質都含有揮發性有機化合物，PID對揮發性有機化合物靈敏度很高。
PID使用了一個紫外光源，通過離子化，即將有機物分子電離成可被檢測器檢測到的正負離子，檢測器捕捉到離子化了的氣體的正負電荷，并將其轉化為電流信號實現氣體濃度的測量。當被測氣體吸收高能量的紫外光時，氣體分子受紫外光的激發暫時失去電子成為帶正電荷的離子，氣體離子在檢測器的電極上被測出，根據電極產生的電位檢測出氣體濃度，檢測后，離子很快又與電子結合重新組成原來的氣體分子。
PID可檢測芳香烴類、酮類、醛類、氯代烴類、胺及胺類化合物和不飽和烴類。
紅外氣體傳感器
這種傳感器利用氣體對特定頻率的紅外光譜的吸收作用制成。紅外光從發射端射向接收端，當有氣體時，對紅外光產生吸收，接收到的紅外光就會減少，從而檢測出氣體含量。目前較先進的紅外式采用雙波長、雙接收器，使檢測更準確、可靠。
它的優點是：選擇性好，只檢測特定波長的氣體，可以根據氣體定制；采用光學檢測方式，不易受有害氣體的影響而中毒、老化；響應速度快、穩定性好；利用物理特性，沒有化學反應，防爆性好；信噪比高，抗干擾能力強；使用壽命長；測量精度高。
缺點是：測量范圍窄，只能檢測（c1。c5）的碳氫化合物；怕灰塵、潮濕，現場環境要好，需要定期對反射鏡面上的灰塵進行清潔維護；現場有氣流時無法檢測；價格較高。
固體電解質氣體傳感器
固體電解質氣體傳感器是指以固體電解質作為傳感材料的氣體傳感器，常用的固體電解質主要包括：穩定氧化鋯、鈉離子快導體、質子導體以及一些低價金屬的鹵化物等。固體電解質氣體傳感器按照檢測信號的特點可分為平衡電位型、混成電位型、限制電流型和短路電流型等。
這種傳感器介于半導體氣體傳感器和電化學氣體傳感器之間，選擇性、靈敏度高于半導體氣體傳感器，壽命長于電化學氣體傳感器，因此得到廣泛應用。這種傳感器的不足之處是響應時間過長。
超聲波氣體探測器
這種氣體探測器比較特殊，其原理是當氣體通過很小的泄漏孔從高壓端向低壓端泄漏時，就會形成湍流，產生振動。典型的湍流氣流會在差壓高于0.2MPa時變成因素，超過0.2MPa就會產生超聲波。湍流分子互相碰撞產生熱能和振動。熱能快速分散，但振動會被傳送到相當遠的距離。超聲波探測器就是通過接收超聲波判斷是否有空氣泄漏。
這類探測器通常勇于石油和天然氣平臺、發電廠燃氣輪機、壓縮機以及其它戶外管道。
磁氧分析儀
這種氣體分析儀是基于氧氣的磁化率遠大于其他氣體磁化率這一物理現象，測量混合氣體中氧氣喊來那個的一種物理氣體分析設備。這種設備適合自動檢測各種工業氣體中的氧氣含量。這類設備只能用于氧氣檢測，選擇性極好。
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氣體傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置！氣體傳感器一般被歸為化學傳感器的一類，盡管這種歸類不一定科學。
中文名
氣體傳感器
外文名
gas transducer
類 型
化學傳感器
特 性
穩定性好等
缺 點
技術壁壘高，市場占有率低
學 科
電子工程
目錄
1
基本信息
2
特性
3
選擇
4
優缺
5
分類
6
選用技巧
7
發展
8
應用
氣體傳感器基本信息
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語音
“氣體傳感器”包括：半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器等。
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氣體傳感器特性
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語音
氣體傳感器是化學傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測量技術，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應用領域，都可以構成獨立的分類標準，衍生出一個個紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標準的問題上還沒有統一，要對其進行嚴格的系統分類難度頗大。接下來了解一下氣體傳感器的主要特性：1、穩定性穩定性是指傳感器在整個工作時間內基本響應的穩定性，取決于零點漂移和區間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體時，整個工作時間內傳感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳感器連續置于目標氣體中的輸出響應變化，表現為傳感器輸出信號在工作時間內的降低。理想情況下，一個傳感器在連續工作條件下，每年零點漂移小于10%。2、靈敏度靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結構所使用的技術。大多數氣體傳感器的設計原理都采用生物化學、電化學、物理和光學。首先要考慮的是選擇一種敏感技術，它對目標氣體的閥限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。3、選擇性選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過測量由某一種濃度的干擾氣體所產生的傳感器響應來確定。這個響應等價于一定濃度的目標氣體所產生的傳感器響應。這種特性在追蹤多種氣體的應用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重復性和可靠性，理想傳感器應具有高靈敏度和高選擇性。4、抗腐蝕性抗腐蝕性是指傳感器暴露于高體積分數目標氣體中的能力。在氣體大量泄漏時，探頭應能夠承受期望氣體體積分數10~20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點校正值應盡可能小。氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當的材料和開發新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優。
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氣體傳感器選擇
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語音
根據測量對象與測量環境根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，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。因為，即使是測量同一物理量，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，則需要根據被測量的特點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；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，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。靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應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。響應特性 （反應時間）傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中，應根據信號的特點 (穩態、瞬態、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差。線性范圍傳感器的線形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，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，當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。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。
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氣體傳感器優缺
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優點紅外氣體傳感器及儀器應用廣泛，適用于監測近乎各種易氣體。具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環境干擾因素較小、壽命長等顯著優點。并在未來逐步成為市場主流。缺點由于正在處于起步階段，技術壁壘高，市場占有率低，規模化生產程度低，造成成本高，基本在上千元左右。
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氣體傳感器分類
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語音
半導氣體傳感器這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為表面型和容積控制型。（1） SnO2半導體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導體材料。當施加電壓時，半導體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時，使半導體表面電阻下降，電導上升，電導變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導體，氧化性氣體使電導下降，對O2敏感。ZnO半導體傳感器也屬于此種類型。a. 電導型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V2O5 、金屬酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt —SnO2 的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8和TiO2、CO-MgO —SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2、氟利昂，傳感材料Pt —SnO2。容積控制型半導體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。（2）容積控制型的是晶格缺陷變化導致電導率變化，電導變化與氣體濃度成比例關系。Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。（3）熱線性傳感器，是利用熱導率變化的半導體傳感器，又稱熱線性半導體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線性關系。這種傳感器體積小、穩定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃氣體檢測中有重要作用。（4）非電導型的FET場效應晶體管氣體傳感器，Pd —FET．場效應晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴散達到半導體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H2、CO敏感。非電導型FET場效應晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發展前途的氣體傳感器。
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固體電解質氣體傳感器這種傳感器元件為離子對固體電解質隔膜傳導，稱為電化學池，分為陽離子傳導和陰離子傳導，是選擇性強的傳感器，研究較多達到實用化的是氧化鋯固體電解質傳感器，其機理是利用隔膜兩側兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩定的氧化鉻固體電解質傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發動機空燃比成分測量等。為彌補固體電解質導電的不足，近幾年來在固態電解質上鍍一層氣敏膜，把圍周環境中存在的氣體分子數量和介質中可移動的粒子數量聯系起來。
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接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測。可燃氣體接觸表面催化劑Pt 、Pd 時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關。這類傳感器的應用面廣、體積小、結構簡單、穩定性好，缺點是選擇性差。
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電化學氣體傳感器電化學方式的氣體傳感器常用的有兩種：（1）恒電位電解式傳感器是將被測氣體在特定電場下電離，由流經的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。（2）原電池式氣體傳感器在KOH電解質溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 電極構成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。
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光學氣體傳感器（1）直接吸收式氣體傳感器紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學氣體傳感器，是根據氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關分光、二次導數、自調制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類( CH4) 等氣體具有較高的靈敏度。（2）光反應氣體傳感器光反應氣體傳感器是利用氣體反應產生色變引起光強度吸收等光學特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。（3）氣體光學特性的新傳感器光導纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發熱。溫度改變，導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實用化程度，檢測氣體也是成功的。此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發，如聲表面波傳感器檢測SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。
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氣體傳感器選用技巧
編輯
語音
有害氣體檢測的氣體傳感器的一大作用，有害氣體的檢測有兩個目的，第一是測爆，第二是測毒。所謂測爆是檢測危險場所可燃氣含量，超標報警，以避免爆炸事故的發生；測毒是檢測危險場所有毒氣體含量，超標報警，以避免工作人員中毒。有害氣體有三種情況第一、無毒或低毒可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。針對這三種不同的情況，一般我們選擇傳感器需要選擇不同的氣體傳感器。例如測爆選擇可燃氣體檢測報警儀，測毒選擇有毒氣體檢測報警儀等。其次我們需要選擇氣體傳感器的類型，一般有固定式和便攜式。生產或貯存崗位長期運行的泄漏檢測選用固定式氣體傳感器；其他象檢修檢測、應急檢測、進入檢測和巡回檢測等選用便攜式氣體傳感器。氣體傳感器類型有成百上千種，針對不同的氣體傳感器可能有不同的選用技巧，客戶在選擇氣體傳感器的時候如果自己不是很清楚可以咨詢傳感器廠家的技術人員，讓他們為你選擇合適的氣體傳感器，或者請傳感器技術人員上面勘察以便更好的選擇氣體傳感器。
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氣體傳感器發展
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語音
一、著重于新氣敏材料與制作工藝的研究開發對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料ZnO，SiO2，Fe2O3等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。這方面的工作主要有兩個方向：1、是利用化學修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進行改進和優化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性;2、是研制開發新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。二、新型氣體傳感器的研制用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先進的加工技術和微結構設計，研制新型傳感器及傳感器系統，如光波導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣體傳感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。三、氣體傳感器智能化隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。研制能夠同時監測多種氣體的全自動數字式的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。
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氣體傳感器應用
編輯
語音
應用于建設環境物聯網。氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等氣體探測領域有著廣泛的應用，環境問題一直是全國乃至全世界最關心的話題之一，人類賴以生存的環境一直在遭受著嚴重的破壞，如何保護環境就需要建立環境監管機制，建設物聯網成為必要，而氣體傳感器作為環境檢測的必備傳感器將有助于建設環境物聯網。傳感器是物聯網最核心和最基礎的環節，是各種信息和人工智能的橋梁，其技術領域中重要門類之一的氣體傳感器，橫跨功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術、納米技術、有機高分子等眾多基礎和應用學科。高性能的氣體傳感器能大大提高信息采集、處理、深加工水平，提高實時預測事故的準確性，不斷消除事故隱患，大幅度減少事故特別是重大事故的發生。能有效實現安全監察和安全生產監督管理的電子化，變被動救災為主動防災，使安全生產向科學化管理邁進。
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參考資料
1.
潘小青,劉慶成. 氣體傳感器及其發展[J]. 東華理工學院學報,2004,(01):89-93.
2.
吳玉鋒,田彥文,韓元山,翟玉春. 氣體傳感器研究進展和發展方向[J]. 計算機測量與控制,2003,(10):731-734.
原標題：深度解讀各類氣體傳感器
氣體傳感器是氣體檢測系統的核心，通常安裝在探測頭內。從本質上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進行化學處理，以便化學傳感器進行更快速的測量。
氣體種類繁多，性質各異，因此，氣體傳感器種類也很多。按待檢氣體性質可分為：用于檢測易燃易爆氣體的傳感器，如氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發氣等；用于檢測有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；用于檢測工業過程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳；用于檢測大氣污染的傳感器，如形成酸雨的NOx、CH4、O3，家庭污染如甲醛等。按氣體傳感器的結構還可分為干式和濕式兩類；按傳感器的輸出可分為電阻式和費電阻式兩類；按檢測院里可分為電化學法、電氣法、光學法、化學法幾類。
半導體氣體傳感器
半導體氣體傳感器可分為電阻型和非電阻型(結型、MOSFET型、電容型)。電阻型氣敏器件的原理是氣體分子引起敏感材料電阻的變化；非電阻型氣敏器件主要有M()s二極管和結型二極管以及場效應管(M()SFET)，它利用了敏感氣體會改變MOSFET開啟電壓的原理，其原理結構與ISFET離子敏傳感器件相同。
電阻型半導體氣體傳感器
作用原理
人們已經發現SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在氣敏效應。用這些金屬氧化物制成的氣敏薄膜是一種阻抗器件，氣體分子和敏感膜之間能交換離子，發生還原反應，引起敏感膜電阻的變化。作為傳感器還要求這種反應必須是可逆的，即為了消除氣體分子還必須發生一次氧化反應。傳感器內的加熱器有助于氧化反應進程。SnO2薄膜氣敏器件因具有良好的穩定性、能在較低的溫度下工作、檢驗氣體種類多、工藝成熟等優點，是目前的主流產品。此外，Fe2O3也是目前廣泛應用和研究的材料。除了傳統的SnO、SnO2和Fe2O3三大類外，目前又研究開發了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復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，大大提高了氣體傳感器的特性和應用范圍。
選擇性是氣體傳感器的關鍵性能。如SnO2薄膜對多種氣體都敏感，如何提高SnO2氣敏器件的選擇性和靈敏度一直是研究的重點。主要措施有：在基體材料中加入不同的貴金屬或金屬氧化物催化劑，設置合適的工作溫度，利用過濾設備或透氣膜外過濾敏感氣體。在SnO2材料內摻雜是改善傳感器選擇性的主要方法，添加Pt、Pd、Ir等貴金屬不僅能有效地提高元件的靈敏度和響應時間，而且，催化劑不同，導致不同的吸附傾向，從而改善選擇性。例如在SnO2氣敏材料中摻雜貴金屬Pt、Pd、Au可以提高對CH4的靈敏度，摻雜Ir可降低對CH4的靈敏度，摻雜Pt、Au提高對H2的靈敏度，摻雜Pd降低對H2的靈敏度。
工作溫度對傳感器的靈敏度有影響。下圖左圖為SnO2氣敏器件對各種氣體溫度的電阻特性曲線。由圖可見，器件在不同溫度下對各種氣體的靈敏度不同，利用這一特性可以識別氣體種類。
制備工藝對SnO2的氣敏特性也有很大的影響。如在SnO2中添加ThO2，改變燒結溫度和加熱溫度就可以產生不同的氣敏效應。按質量計算，在SnO2中加入3～5％的ThO2，5％的Sm2．在600℃的H2氣氛中燒結，制成厚膜器件，工作溫度為400℃。則可作為CO檢測器件。上圖右圖是燒結溫度為600℃時氣敏器件的特性。可看出，工作溫度在170～200℃范圍內，對H2的靈敏度曲線呈拋物線，而對CO改變工作溫度則影響不大，因此，利用器件這一特性可以檢測H2。而燒結溫度為400℃制成的器件，工作溫度為200℃時，對H2、CO的靈敏度曲線形狀都近似呈直線，但對CO的靈敏度要高得多，可以制成對CO敏感的氣體傳感器。
結構及參數
SnO2電阻型氣敏器件通常采用燒結工藝。以多孔SnO2陶瓷為基底材料，再添加不同的其他物質，用制陶工藝燒結而成，燒結時埋入加熱電阻絲和測量電極。此外，也有用蒸發和濺射等工藝制成的薄膜器件和多層膜器件，這類器件靈敏度高，動態特性好。還有采用絲網印刷工藝制成的厚膜器件和混合膜器件，這類器件具有集成度高，組裝容易，使用方便，便于批量生產的優點。
下圖是電阻型氣體傳感器的一種典型結構，它主要南SnO2敏感元件、加熱器、電極引線、底座及不銹鋼網罩組成。這種傳感器結構簡單，使用方便，可以檢測還原性氣體、可燃性氣體、蒸氣等。
電阻型氣體傳感器的主要特性參數有：
1、固有電阻R0和工作電阻Rs
固有電阻Ro又稱正常電阻，表示氣體傳感器在正常空氣條件下的阻值。工作電阻Rs表示氣體傳感器在一定濃度被測氣體中的阻值。
2、靈敏度S
通常用S=Rs／R0表示，有時也用兩種不同濃度C1、C2)檢測氣體中元件阻值之比來表示：S=Rs(C2)／R0(C1)。
3、響應時間T1
反映傳感器的動態特性，定義為傳感器阻值從接觸一定濃度的氣體起到該濃度下的穩定值所需時間。也常用達到該濃度下電阻值變化率的63％時的時問來表示。
4、恢復時問T2
又稱脫附時間。反映傳感器的動態特性，定義為傳感器從脫離檢測氣體起，直到傳感器電阻值恢復至正常空氣條件下的阻值，這段時間稱為恢復時間。
5、加熱電阻RH和加熱功率PH
RH為傳感器提供工作溫度的電熱絲阻值，PH為保持正常工作溫度所需要的加熱功率。
電阻型氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優點。不足之處是必須工作于高溫下，對氣體的選擇性較差，元件參數分散，穩定性不夠理想，功率要求高，當探測氣體中混有硫化物時，容易中毒。
非電阻型半導體氣體傳感器
非電阻型也是一類較為常見的半導體氣敏器件，這類器件使用方便，無需設置工作溫度，易于集成化，得到了廣泛應用。主要有結型和MOSFET型兩種。
結型氣敏器件
結型氣敏傳感器件又稱氣敏二極管，這類氣敏器件是利用氣體改變二極管的整流特性來工作的。其結構如下圖左圖所示。它的原理是：貴金屬Pd對氫氣具有選擇性，它與半導體接觸形成接觸勢壘。當二極管加正向偏壓時，從半導體流向金屬的電子將增加，因此正向是導通的。當加負向偏壓時，載流子基本沒有變化，這是肖特基二極管的整流特性。在檢測氣氛中，由于對氫氣的吸附作用，貴金屬的功函數改變，接觸勢壘減弱．導致載流子增多，正向電流增加，二極管的整流特性曲線會發生左移。下圖右圖為Pd—TiO2氣敏二極管在不同濃度H2的空氣中的特性曲線。因此，通過測量二極管的正向電流可以檢測氫氣濃度。
MOSFET型氣敏器件
氣敏二極管的特性曲線左移可以看作二極管導通電壓發生改變，這一特性如果發生在場效應管的柵極，將使場效應管的閾值電壓UT改變。利用這一原理可以制成MOSFET型氣敏器件。
氫氣敏MOSFET是一種最典型的氣敏器件，它用金屬鈀(Pd)制成鈀柵。在含有氫氣的氣氛中，由于鈀的催化作用，氫氣分子分解成氫原子擴散到鈀與二氧化硅的界面，最終導致MOSFET的閾值電壓UT發生變化。使用時常將柵漏短接，可以保證MOSFET工作在飽和區，此時的漏極電流ID=β(UGS—UT)2，利用這一電路可以測出氫氣的濃度。
氫氣敏MOSFET的特點有：
1、靈敏度
當氫氣濃度較低時，氫氣敏MOSFET靈敏度很高，1ppm氫氣濃度變化，△UT的值可達到10mV，當氫氣濃度較高時，傳感器的靈敏度會降低。
2、對氣體選擇性
鈀原子間的“空隙”恰好能讓氫原子通過，因此，鈀柵只允許氫氣通過，有很好的選擇性。
3、響應時間
這種器件的響應時間受溫度、氫氣濃度的影響，一般溫度越高，氫氣濃度越高，響應越快，常溫下的響應時間為幾十秒。
4、穩定性
實際應用中，存在UT隨時間漂移的特性，為此，采用在HCl氣氛中生長一層SiO2絕緣層，可以顯著改善UT的漂移。
除氫氣外，其他氣體不能通過鈀柵，制作其他氣體的Pd—MOSFET氣敏傳感器要采用一定措施，如制作CO敏MOSFET時要在鈀柵上制作約20nm的小孔，就可以允許CO氣體通過。另外，由于Pd—MOSFET對氫氣有較高的靈敏度，而對CO的靈敏度卻較低，為此可在鈀柵上蒸發一層厚約20nm的鋁作保護層，阻止氫氣通過。鈀對氨氣分解反應的催化作用較弱，為此，要先在SiO2絕緣層上沉淀一層活性金屬，如Pt、Ir、La等。再制作鈀柵，可制成氨氣敏MOSFET。
固體電解質氣體傳感器
固體電解質是一種具有與電解質水溶液相同的離子導電特性的固態物質，當用作氣體傳感器時，它是一種電池。它無需使氣體經過透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發和電極消耗等問題。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環保、礦業、食品等各個領域都得到了廣泛的應用，其重要性僅次子金屬—氧化物一半導體氣體傳感器。
固體電解質氧氣傳感器原理
同體電解質在高溫下才會有明顯的導電性。氧化鋯(ZrO2)是典型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結構，當溫度升到1000℃左右時就會發生同質異晶轉變，由單斜晶結構變為多晶結構，并伴隨體積收縮和吸熱反應，因此是不穩定結構。在ZrO2中摻入穩定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩定的熒石立方晶體，穩定程度與穩定劑的濃度有關。ZrO2加入穩定劑后在l800℃氣氛下燒結，其中一部分鋯離子就會被鈣離子替代，生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是正二價離子，Zr4+是正四價離子，為繼續保持電中性，會在晶體內產生氧離子O2-空穴，這是(ZrO·CaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結果是(ZrO·CaO)在300～800℃成為氧離子的導體。但要真正能夠傳遞氧離子還必須在固體電解質兩邊有不同的氧分壓(氧位差)，形成所渭的濃差電池。其結構原理如圖所示，兩邊是多孔的貴金屬電極，與中間致密的ZrO·CaO材料制成夾層結構。
設電極兩邊的氧分壓分別為PO2(1)、PO2(2)，在兩電極發生如下反應：
(+)極：PO2(2)，2O2-→O2+4e
(-)極：PO1(1)，O2+4e→2O2-
上述反應的電動勢用能斯特方程表示：
可見，在一定溫度下，固定PO2(1)，有上式可求出傳感器(+)極待測氧氣的濃度。
固定PO2(1)實際上是(-)極形成一個電位固定的電極，即參比電極，有氣體參比電極和共存相參比電極兩種。氣體參比電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相參比電極是指金屬-金屬氧化物、低價金屬氧化物-高價金屬氧化物的混合粉末(固相)，這些混合物與氧氣(氣相)混合發生氧化反應能形成同定的氧壓，因此也能作為參比電極。
除了測氧外，應用β一Al2O3、碳酸鹽、NASICON等固體電解質傳感器，還可用來測CO、SO2、NH4等氣體。近年來還出現了銻酸、La3F等可在低溫下使用的氣體傳感器，并可用于檢測正離子。
紅外氣體傳感器
作用原理
由不同原子構成的分子會有獨特的振動、轉動頻率，當其受到相同頻率的紅外線照射時,就會發生紅外吸收，從而引起紅外光強的變化，通過測量紅外線強度的變化就可以測得氣體濃度；需要說明的是振動、轉動是兩種不同的運動形態，這兩種運動形態會對應不同的紅外吸收峰，振動和轉動本身也有多樣性；因此一般情況下一種氣體分子會有多個紅外吸收峰；根據單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什么基團，精確判定氣體種類需要看氣體在中紅外區所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。但在已知環境條件下，根據單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。由于在零下273攝氏度即絕對零度以上的一切物質都會產生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關，因此，同催化元件一樣，為消除環境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會由一對紅外探測器構成。
一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學腔體、紅外探測器和信號調理電路構成。
為什么紅外氣體傳感器不能測量氧氣、氫氣、氮氣等由相同原子構成的氣體分子?
月亮和地球、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內部原子間靠化學鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地球軌道將是圓的，實際上上面兩個條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽之間的距離不停地在短半徑和長半徑之間轉換，即振動，只是振動周期長達一年，在這個過程中，地球處于短半徑點和長半徑點時，它和太陽之間的引力是不同的，即能量級別不同。在分子內部原子間靠化學鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由于電子分布的不均衡而不停發生變化，即振動、轉動，而且不同的分子會有獨特的振動、轉動頻率,當遇到相同頻率的紅外線照射時會產生諧振、原子間距離和電子分布發生變化即偶極距發生變化，紅外吸收就是這樣產生的(紫外吸收同理)。
以上內容中包含紅外吸收的兩個基本條件：諧振、偶極距變化。這兩個條件同時滿足才能產生紅外吸收。
氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構成的分子為什么沒有紅外吸收峰:兩個基本條件一是氣體分子振動頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個條件容易滿足，第二個條件無可能性。
相同原子構成的分子正負電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結果是電子在分子中的分布是均衡的，以紅外光本身的低能量密度特征，其照射不會改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會導致能量變化。而不同原子構成的分子:以水(蒸氣)分子為例,分子中電子的分布偏向氧這端，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性,氧那一端呈負電性，正負電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零。這是因為氧吸引電子的能力比氫強的緣故。
在與水分子振動、轉動頻率相同的紅外線照射時，會使電子在水分子中的分布更偏向氧一端，導致氫和氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照射時會從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產生的。可以這樣去簡單理解:紅外線與相同原子組成的分子相遇時，由于相同原子組成的分子是理想的彈性球體，兩者的相互作用是完全彈性碰撞，只有能量交換，沒有能量轉移。不同原子組成的分子與紅外線相互作用則有能量轉移。因此，紅外吸收原理不能測相同原子構成的分子。
非色散紅外吸收氣體傳感器
非色散：白光通過三棱鏡會被分為七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍、紫。這個三棱鏡就是一個分光系統，能把7色光分開。有分光系統的光學系統即色散型光學系統,無分光系統的光學系統即非色散性。非色散系統簡易、可靠、小巧、廉價。平時我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長混合成的光；而單頻率、單波長的光即單色光。前面講到只有紅外線的頻率和氣體分子振動、轉動頻率相同時才會產生紅外吸收，理論上在設計氣體傳感器時，我們希望用單色光去照射氣體或者照射后我們用設置光柵(濾光片)的辦法獲得單色光。
非色散紅外氣體傳感器通常由光源、光學腔體、濾光片(光柵)、探測器和信號調理電路構成，在傳感器中濾光片和探測器是一體的。
紅外氣體傳感器優點:
1、除了相同原子組成的氣體，所有氣體都可以測。
2、全量程。
3、傳感過程本身不會干擾傳感。
缺點:
1、昂貴。紅外氣體傳感器本質上是紅外幅射導致探測器溫度變化進而是電性能變化的溫度傳感器，傳感過程復雜。要求系統有如下特征：光源必須有穩定的紅外幅射；光學腔體物理化學性質穩定；濾光片及紅外探測器穩定。這些問題，合理的工藝技術本身能較好的解決，但是制造成本高，導致價格昂貴。
2、在普通的以寬頻紅外光源加濾光片加探測器設計中，濾光片本身不能實現理想的選擇性濾光，因此干擾尤其是水的干擾一直存在。選擇性的問題深層原因在于很多不同的氣體分子會有相同的化學鍵，即有相近甚至重疊的紅外吸收。
3、粉塵、背景幅射、強吸附及氣、液、固易發生轉換的檢測對象都會對檢測結果造成影響。
催化燃燒式氣體傳感器
作用原理
一般由線徑15um或20um或30um的高純度鉑線圈并在其外包裹載體催化劑形式球體，在一定的溫度條件下，當可燃性氣體與上述球體接觸時會與其表面的吸附氧發生劇烈的無焰燃燒反應，反應釋放的熱量導致鉑線圈溫度變化，溫度變化又導致鉑線圈電阻發生變化，測量電阻變化就可以測到氣體濃度。
因此與其說催化元件是氣體傳感器不如說他是個溫度傳感器，為克服環境溫度變化帶來的干擾，催化元件會成對構成一支完整的元件，這一對中一個對氣體有反應，另一個對氣體無反應，而只對環境溫度有反應，這樣兩支元件相互對沖就可以消除環境溫度變化帶來的干擾。
和半導體元件不同，催化元件傳感過程較為復雜，前者是氣體與傳感器接觸后發生的化學反應直接導致傳感器電阻即電信號的變化，后者則是氣體在催化元件上發生的化學反應首先導致的結果是傳感器載體表面及載體內部的溫度變化，載體的溫度變化經過熱傳遞最終導致鉑線圈電阻的變化，完成傳感的全過程。
存在的問題
傳感過程復雜，導致問題產生的幾率就大一些。
1、對長分子鏈的有機物以及不飽和烴，對半導體來說，不完全反應導致的積炭只會對反應過程產生影響，而不會對電子傳輸產生大的影響，而對催化來講，炭的存在不僅影響反應過程，更會對熱傳遞產生劇烈影響，結果是反應產生的熱量向傳感器內部傳遞效率變低了，熱量大都散失掉了，最終是，同樣的氣體濃度，釋放同樣的熱，由于炭的存在，導致傳感器:溫度只有很小的變化，即靈敏度變得很低。
2、因為需要熱傳遞，為了保證熱效率，反應必須在瞬間完成，即要求有極高的反應效率，就需要有大量的納米級的催化劑以及納米級的孔，這樣的特征有利于傳感也有利于中毒。
3、催化元件的線性是由兩個因素決定的a、溫度傳感材料pt線圈的電阻~溫度特性是線性的。b、爆炸下限以內反應放熱和氣體濃度是線性的。因此，兩個因素任一發生變化，就會導致傳感器線性變化。實際上，鉑線圈會持續升華變細即導阻變大；反應釋放的熱量與濃度的線性關系只在氣體濃度為爆炸下限以內時才成立。
未來發展
催化元件的未來主要取決于工藝技術的進步:
1、結構改進，解決的問題是震動引起的漂移。
2、過濾層改進，解決的問題是中毒。
3、開發新材料改善積碳。
4、制造過程對設計實現的保障如避免形變。
5、MEMS化。需要說明的是，器件結構、封裝、制造工藝的改進不僅會改善元件的綜合性能，也會引發新的應用。和半導體相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面積下有更高的催化效率、熱效率。
6、催化元件的應用定位會更精準專一。
7，催化元件不會被淘汰。
電化學傳感器
電化學就是研究電學和化學行為之間關系的學科。這個學科最重要的應用是電能與化學能之間的高效轉換和大功率密度存儲技術。我們知道本質上傳感器是一種能量轉換裝置，如壓力傳感器就是把機械能轉換為電能的裝置。因此，很容易理解，電化學氣體傳感器就是一個電池，叫氣體燃料電池。
最常見的電池，把一堆可以導電的化學物質裝起來，插入兩個不同材料的電極，用導線連接就會有電產生。以鉛酸蓄電池為例，硫酸水溶液就是導電的化學物質，把鉛放進其中，在鉛和硫酸接觸的地方(界面)會產生電，把氧化鉛放進去，界面也會有電，兩個界面電量有差異，即有電壓，用導線連起來電子就會從鉛流到氧化鉛，鉛就變成了氧化鉛，氧化鉛變成了氧化亞鉛。電量和化學量及反應過程相關聯。
這里最重要的概念：一是把一個導體插入導電的化學物質中界面會產生電位，同一種物質中插入不同的導體產生不同的電位。二是不同的電位相連接，在界面會發生反應。三是導電回路由電池和外接導線兩部分構成。電池外部在連接導線內是電子，電池內是離子。即導電過程由電子移動和離子移動共同完成。
電化學CO氣體傳感器是一個化學電池即CO燃料電池。其中: CO是提供電子的一極(工作電極)，氧氣是獲得電子的一極，硫酸水溶液是電解質。和鉛酸蓄電池最大的不同是電極材料不同，電化學氣體傳感器(co)電極材料是氣體，鉛酸蓄電池是固體。電化學氣體傳感器的電極叫氣體電極。電化學CO氣體傳感器中，工作電極CO作為供電子的一極，只有CO和硫酸水溶液觸是無法進行的電子釋放、收集和傳導的。其一CO完成提供電子的過程需要條件，即在電催化條件下降低CO提供電子的難度。實踐中這個條件由多孔鉑電極（或其它電催化導電電極）提供。其二，CO提供的電子需要導體收集后傳導，也由多孔鉑電極完成。
同理，作為對電極的氧氣電極亦需要有多孔鉑電極協助獲得電子。鉑電極實際上是反應平臺。電化學傳感器傳感原理雖然簡單，但是實現可靠精確的傳感卻很難：其一需要鉑電極有穩定的多孔結構，孔的數量足夠多，硫酸水溶液進到孔里，CO (或氧氣)也能進到孔里，在氣(CO)-固(pt)-液(硫酸水溶液中的水)共同接觸的位置即三相界面完成電子提供。因此,三相界面如何在硫酸長期浸泡、電化學反應沖擊、電泳驅動下保持穩定，是可靠精確傳感的核心。其二，硫酸水溶液要穩定，不揮發，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液的質量變化都會導致傳感器內部壓力的變化,進而引起三相界面的變化。其三、由封裝、材料物理特性決定的電極和硫酸水溶液接觸應力要穩定不變。
目前電化學傳感器的主要問題基本源于上述因素。電化學傳感器最核心的技術及工藝之一是如何構建孔的物理結構合理穩定可靠的電極，它和靈敏度、響應恢復、壽命、溫度特性密切相關。其二是封裝。電化學傳感器存在的問題如干燥條件下的失水失活、高濕條件下的吸水漏液，長期接觸被測氣體導致的中毒失活，電極孔結構解體導致的失活。體現在性能上是漏液、壽命短(相比其它原理)、體積大。體現在制造上表現為設計、工藝復雜、制造成本昂貴。
電化學傳感器的未來：明確的方向是電解液室溫固態化并以此為基礎實現MEMS化。實現固態化和MEMS化的電化學傳感器不僅能夠克服包括制造在內的大部分問題，而且可以激發新的應用，為企業帶來新的增長。此時的電化學傳感器將是高度一體化的，易集成的、小巧的電子系統。但是，這樣的結果仍然不能克服高濃度或被測氣體長期與傳感器接觸導致的傳感器性能變化。
PID——光離子化檢測器
PID由紫外光源和氣室構成。紫外發光原理與日光燈管相同，只是頻率高，能量大。被測氣體到達氣室后，被紫外燈發射的紫外光電離產生電荷流，氣體濃度和電荷流的大小正相關，測量電荷流即可測得氣體濃度。
特殊氣體:物理形態多變、化學過程及反應生成物復雜多樣。包括無機氣體如氨氣。有機氣體如甲苯等。
前面介紹的各種氣體傳感器，對復雜氣體的檢測面臨巨大挑戰。如:對有機蒸氣的檢測，紅外吸收原理面臨著很難克服的困難：a、有機蒸氣由于分子量大的緣故，特征吸收波長較長，紅外吸收后能量變化小，通常靈敏度會很低。b、長分子鏈的有機蒸氣易吸附，會粘附在探測器上，破壞光傳輸。c、不能實現對voc總量的檢測。紅外系統若實現總量評價，則需要全光譜響應的濾光片、探測器和全光譜紅外光源，這樣的要求不僅難實現，即使實現，在全光譜范圍內，無機氣體、水的干擾將順理成章。而化學傳感器中半導體易被無機氣體、溫、濕度干擾，漂移，濃度分辯率低，雖然其檢測范圍寬、覆蓋氣體種類多，但仍僅適合在低端應用。在這樣的背景下，在工業現場voc檢測時PlD是較好的選擇。
相對其它傳感器plD最大的特點是只對很少的無機氣體，如氨氣、磷化氫等敏感。原因在于大部分的無機氣體有很高的電離能(大于11.7ev)。目前plD燈最高紫外幅射能量僅為11.7ev。因此，在石油化工園區，PiD的響應可以認為是voc的響應。
PID工作原理
1、在真空玻璃腔內充入高純度稀有氣體如氬氣、氪氣。
2、用紫外透光片氟化鎂單晶將玻璃腔體密封，在此氟化鎂晶體對紫外光透明。
3、在玻璃腔外壁套上電極。
4、在氟化鎂窗口加上電極和電場，做為被測氣體氣室，這就是一個完整的可電離VOC的紫外燈。工作時在玻璃腔外加上高頻電場，紫外燈內的稀有氣體被外加電場電離出電子和離子，電子和離子復合時紫外光的形式向外幅射能量。紫外光穿過氟化鎂窗口到達氣室，氣室內被測氣體被紫外光電離產生電子和離子，電荷在電場作用下產生電流，就可以測到了。
PlD穩定工作需要:
1、PID必須幅射足夠的能量才能電離被測氣體；
2、產生紫外光的高頻電場必須是穩定的。
3、玻璃腔體內不能有雜質氣體，雜質氣體會導致附加電離，影響紫外發光效率。
4、紫外光譜是穩定、均勻的。
5、紫外光到達氣室的傳輸是穩定、均勻并不與構成氣室的金屬電極材料相互作用而產生重金屬沉積，重金屬在紫外幅射窗口沉積會阻擋紫外到達氣室。
這就要求：紫外燈充入的發光物質必須是氣體才能均勻發光并傳輸。腔體內不能有雜質氣體，以防止附加電離等。這些要求決定了發光氣體的選擇只能是稀有氣體。窗口材料則必須對紫外透明并具有穩定的理化性質，事實上紫外窗口材料的選擇是極其有限的。這些限至條件最終也決定了PID應用的局限性。
為什么目前的PID不能測丙烷、乙烷、甲烷和大部分無機物
PID的本質是使被測物質電離后測電荷流，電離需要能量。目前的PID紫外幅射能量最常見的是8.3ev、9.8ev、10.6ev。而電離甲烷需要的能量為12.6ev，乙烷為11.56ev、丙烷為10.95ev、二氧化碳為13ev等。事實上，人們很想開發出能量更高的PID，但限至條件在于稀有氣體的種類極其有限，紫外波長(能量)是由稀有氣體本身的電子能級決定的，人類無法改變；另一個限至條件是特定波長的紫外光透光窗口材料，能透什么樣波長的紫外光取決于窗口材料的晶格常數，在目前的材料體系中選擇也極有限。人們雖然開發出11.7ev的發光體，但適合的窗口材料只有氟化鋰(LiF)，而氟化鋰極易吸水，導致11.7ev的PID壽命只有兩個月。即目前的紫外燈由于輸出能量的限制，仍不能檢測甲烷等有較高電離能的物質。
PID為什么沒有選擇性?
如果我們選擇的PID的紫外幅射能量是10.6ev，就意味著被測環境中電離能小于10.6ev的所有氣體分子都會被電離，我們測到的電荷流是所有被電離氣體的電荷流的和，而不是某種氣體的電荷流。PID無選擇性是由此決定的。
PID在工作時，氣室內被電離的物質相遇時會復合還原，長鏈分子、灰塵等會沉積在窗口表面，除此，傳感器工作時產生的離子流轟擊氣室電極也會使重金屬沉積在窗口表面，這顯然會影響紫外光透過，而導致零點漂移、靈敏度降低，影響檢測結果。實際上除了PiD燈的制備技術、氣室設計，PID燈紫外透過窗口的清洗技術也是核心技術之一。
PID的未來
1、PiD作為理想的非放射性離子源會永遠存在；
2、提高PID燈內充氣前的真空度以及填充氣體純度以提高發光效率和發光穩定性；
3、開發新的窗口材料及加工精度以改善透光率、出射光均勻性、封裝質量、以及穩定性和壽命；
4、預防色散導致窗口的重金屬沉積，延長壽命；
5、防止大分子有機物、小顆粒物沉積的窗口清潔技術；
6、輸出能量更高的長壽命PID燈的開發；
7、小體積。
氣體傳感器的發展方向
氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學科交叉的研究內容。要切實提高傳感器各方面的性能指標需要多學科、多領域研究工作者的協同合作。氣敏材料的開發和根據不同原理進行傳感器結構的合理設計一直受到研究人員的關注。未來氣體傳感器的發展也將圍繞這兩方面展開工作。具體表現如下:
氣敏材料的進一步開發一方面尋找新的添加劑對已開發的氣敏材料性能進行進一步提高；另一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術尋找性能更加優越的氣敏材料。
新型氣體傳感器的開發和設計根據氣體與氣敏材料可能產生的不同效應設計出新型氣體傳感器。近年來表面聲波氣體傳感器、光學式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器等新型傳感器的開發成功進一步開闊了設計者的視野。目前仿生氣體傳感器也在研究中。
氣體傳感器傳感機理的進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理進行深度的研究。只有機理明確了，下一步的工作才會少走彎路。
氣體傳感器的智能化生產和生活日新月異的發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展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、電路與系統、傳感技術、神經網絡技術、模糊理論等多學科綜合技術的基礎上得到發展。
仿生氣體傳感器的迅速發展 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，結合仿生學和傳感器技術研究類似狗鼻子的＂電子鼻＂將是氣體傳感器發展的重要方向之一。
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