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氣體傳感器選擇及其分類的深度分析

2010-11-11 15:55:29


氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，一般安裝在探測頭內。從實質上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)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，一般包括濾除干擾氣體和雜質、制冷處理或干燥、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。
　　氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應時間。當前，氣體的采樣方式主要是通過將氣體吸入檢測器或簡單擴散法。
　　根據(jù)測量環(huán)境與測量對象確定傳感器的類型。 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，這需要分析很多因素后才能確定。因為，即便是測量同一物理量，也有很多原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更合適，則需要根據(jù)傳感器的使用條件和被測量的特點考慮以下一些具體問題：被測位置對傳感器體積的要求；量程的大?。恍盘柕囊龇椒?，有線或是非接觸測量；測量方式為接觸式還是非接觸式；，國產(chǎn)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哪種類型的傳感器，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能比較大，有助于信號處理。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(tǒng)放大，影響測量精度。所以，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： 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，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(tǒng)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(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、隨機、瞬態(tài)等)響應特性，以免產(chǎn)生太大的誤差。
　　線性范圍：傳感器的線形范圍是指輸入與輸出成正比的范圍。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，這會給測量帶來非常大的方便，
　　氣體傳感器是化學傳感器的一大門類。從工作特性、原理分析到測量技術，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目前還沒有統(tǒng)一，要對其進行嚴格的系統(tǒng)分類難度頗大。
　　通常以氣敏特性來分類，主要可分為：電化學型氣體傳感器、半導體型氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器固體電解質氣體傳感器等。
　　半導體氣體傳感器
　　半導體氣體傳感器是采用金屬半導體氧化物材料或金屬氧化物做成的元器件，與氣體相互作用時產(chǎn)生反應或表面吸附，引起以載流子運動為特征的伏安特性電導率或電導率或表面電位變化。這些都是由材料的半導體性質決定的。
　　自從１９６２年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導體氣體傳感器已經(jīng)成為當前應用普遍、具有實用價值的一類氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機制可以分為非電阻式和電阻式兩種。
　　電阻式半導體氣體傳感器主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，比一比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行還原反應以引起傳感器傳導率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應。傳感器內的加熱器有助于氧化反應進程。它具有成本低廉、靈敏度高、制造簡單、壽命長、響應速度快、電路簡單和對濕度敏感低等優(yōu)點。不足之處是必須工作于高溫下、對氣味或氣體的元件參數(shù)分散、選擇性差、功率要求高.穩(wěn)定性不夠理想、當探測氣體中混有硫化物時，容易中毒?，F(xiàn)在除了傳統(tǒng)的 Sn02、SnO和Fe203三大類外，又研究開發(fā)了一批新型材料，包括復合金屬氧化物材料、單一金屬氧化物材料、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用范圍。另外，通過在半導體內添加Pd，Ir、Pt等貴金屬能有效地提高元件的響應時間和靈敏度。它能降低被測氣體的化學吸附的活化能，因而可以提高其靈敏度和加快反應速度。催化劑不同，導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；Au、Pt提高對H2的靈敏度，而Pd降低對H2的靈敏度。利用薄膜技術、超粒子薄膜技術制造的金屬氧化物氣體傳感器具有易集成、靈敏度高(可達10-9級)、小型化、一致性好、購物搜索等特點。
　　非電阻式半導體氣體傳感器是結型二極管式和MOS二極管式以及場效應管式(MOSFET)半導體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要硅燒氣和檢測氫等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應，反應產(chǎn)物擴散到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，但制作工藝比較復雜，成本高。
　　電化學型氣體傳感器
　　電化學型氣體傳感器可分為可控電位電解式、原電池式、離子電極式和電量式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分數(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)了檢測毒性氣體和酸性氣體的原電池式傳感器。可控電位電解式傳感器是通過測量電解時流過的電流來檢測氣體的體積分數(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NO，N02，CO，S02，02等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分數(shù)。電量式氣體傳感器是通過被測電解質與氣體反應產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分數(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數(shù)已電化學式氣體傳感器主要的優(yōu)點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。
　　固體電解質氣體傳感器
　　固體電解質氣體傳感器是一種以離子導體為電解質的化學電池。２０世紀７０年代開始，固體電解質氣體傳感器由于電導率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎應用于礦業(yè)、環(huán)保、汽車、節(jié)能、工業(yè)等各個領域，其產(chǎn)量大、應用廣，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。近來國外有些學者把固體電解質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中的移動離子相同的傳感器，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中的移動離子不相同的傳感器，例如用于測量氧氣的由固體電解質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中的移動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)高質量的C02固體電解質氣體傳感器是由固體電解質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)的高質量固體電解質傳感器絕大多數(shù)屬于第3類。又比如：用于測量N02的由固體電解質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YST-Au-W03制成的傳感器；用于測量NH3的由固體電解質NH4-Ca203制成的傳感器；用于測量N02的由固體電解質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，可燃性氣體在催化劑作用下氧化燃燒或氧化燃燒，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Pd和等Rh制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測各種可燃氣體。這種傳感器有時稱之為熱導性傳感器，普遍適用于造船廠、石油化工廠、浴室廚房和礦井隧道的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。該傳感器在環(huán)境溫度下很穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測。