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。現在工采網小編對Figaro最擅長的3種氣體檢測原理進行說明。

 

半導體氣體傳感器簡單的架構

 

 

STEP1

 

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。

 

STEP2

 

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。

 

半導體氣體傳感器的檢測原理

 

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。

 

■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導體粒子的耗盡狀態在推進能帶結構

 

 

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

 

傳導電子分布

 

 

[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。

 

參考文獻：Noboru Yamazoe, Kengo Shimanoe, Basic approach to the transducer function of oxide semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B 160 (2011) 1352-1362催化燃燒式氣體傳感器檢測原理

 

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)測定電路

 

 

■ (圖2)測試電路

 

 

■ (圖3)

 

 

電化學氣體傳感器：傳感器元件構成與電極反應式

 

 

傳感器由來自貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導體構成。當CO等檢測對象氣體存在時，在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發生（1）式所示的反應。

 

CO + H2O → CO2＋ 2H+ + 2e- …（1）

 

檢測極與對極接通電流（短路）后，檢測極產生的質子(H+)與同時產生的電子（e-）分別通過離子傳導體與外部電線（引線）各自到達對極，在對極上與空氣中的氧之間發生（2）式所示的反應。

 

（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）

 

也就是說此傳感器構成了由（1）（2）反應式形成的（3）反應式的全電池反應，可以認為是將氣體作為活性物質的電池。

 

CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）

 

當做氣體傳感器使用時，接通檢測極與對極的電流，來測定其短路電流。

 

CO濃度檢測原理公式

 

 

對流過外部電路的短路電流與氣體濃度的關系，通過傳感器進行適當的擴散控制（控制氣體的流入量），呈現出式子（4）這樣的比例關系（右圖）。

 

I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）

 

這里 I：短路電流；A：擴散孔面積；σ：擴散層長度；D：氣體擴散系數；C：氣體濃度；ｎ：反應的電子數量

 

特長

 

反應式（1）所示的氧化電位由于比氧化電極電位的基準值（2H+ + 2e- ? H2)要低（擁有較低電位），因此此反應不需要消耗來自外部的電壓、溫度等其他能量，可以有選擇地進行，與別的檢測方式相比在干擾性、重復性、節電方面要優越得多。

 

氣體傳感器使用要求與注意事項

 

使用時請務必閱讀Figaro公司的產品技術資料，對產品規格與使用條件進行確認。

 

設計時要注意避免當電路上其他電子部件發生短路、開路等異常狀況時給氣體傳感器帶來超過額定值的電壓、電流與溫度。

 

設計時要注意避免因氣體傳感器的故障而影響到其他的部件，直接或間接導致使用了氣體傳感器的機器產生誤動作、冒煙、起火或其他不穩定的狀態，使機器的安全性受損。

 

如有必要，敬請考慮采取設置類似于保護電路這樣的故障保護安全措施。

 

關于使用安全注意事項

 

關于使用電壓

 

如果氣體傳感器被施加了超過額定值的電壓，即使未出現斷線與物理性損傷的情況，也有可能發生傳感器特性受到影響的情況。氣體傳感器一旦有過過電壓經歷，請不要使用。

 

關于使用溫度

 

請不要在超過額定溫度的高溫下使用氣體傳感器。在超過額定溫度的高溫環境下電極膜會劣化，傳感器的特性很有可能會受到影響。

 

關于使用環境

 

氣體傳感器如果受到堿金屬的污染，氣體傳感器的特性有可能受到顯著影響。尤其要避開鹽水噴霧。

 

如果暴露于氨氣等堿性高濃度氣體中，氣體傳感器的特性很有可能受到影響，因此要避免出現這樣的情況。

 

要避免在有可能使用了硅粘結劑與含有硅的發膠、硅橡膠、硅膩子的場所使用或保管氣體傳感器。從含硅的產品蒸發出來的硅蒸汽有可能引起傳感器內部氣體流入通道的堵塞。

 

氣體傳感器內部與表面如果持續長時間大量結露的話，可能會引起氣體流入通道的堵塞與氣體敏感膜的劣化情況發生。正常的室內環境中產生的輕微結露對氣體傳感器不會產生重大的影響。

 

如果氣體傳感器暴露于硫化氫與硫酸系氣體環境時，有可能出現內部的氣體擴散膜與蓋帽、或本體受到腐蝕，氣體傳感器受損的情況。

 

氣體傳感器如果暴露于酒精類、丙酮、揮發油等產生的有機物蒸汽中，氣體敏感部吸附有機物蒸汽，可能會發生傳感器特性短時間變化的情況。

 

氣體傳感器如果暴露于極度的粉塵與油性氣霧中，有可能在氣體傳感器內部發生孔眼堵塞的情況。如果可以預知是這樣的使用環境，建議在氣體傳感器的上部加裝外接過濾器。

 

當在低溫環境中發生快速凍結的情況時，氣體傳感器內部可能發生漏水對氣體傳感器的特性產生影響。尤其是當把蓋帽朝下設置于機器中的時候，很容易發生這樣的情況。

 

如何處理

 

請不要將傳感器浸入水中、或將水灑到傳感器上，否則有可能對傳感器的特性造成影響。

 

如果讓氣體傳感器受到強烈震動或撞擊，其內部可能會發生斷線或短路等情況。

 

請不要隨意分解氣體傳感器，也不要使本體與蓋帽部位發生變形。

 

關于保管方法

 

如果將氣體傳感器放置在密封袋這樣密閉性很強的容器內保管的話，因周圍溫度的變化氣體傳感器內部可能出現結露的情況。

 

設計應用機器時的注意事項

 

出現零度以下的低溫時水槽里的水有可能結冰凍結，一般情況下結冰不會對氣體傳感器的特性產生影響，但水結冰后體積增大有可能使氣體傳感器胴體發生變形的情況出現。設計機器時要注意防止氣體傳感器因結冰變形后與配置在周圍的其它電子產品和電路基板發生接觸。

 

安裝時的注意事項

 

用焊錫將傳感器焊接到電路基板時，如果使用焊錫槽，焊錫產生的高濃度助焊劑蒸汽有可能對傳感器特性產生影響。我們建議手焊操作。考慮使用焊錫槽的話，請在量產前用試驗組預先對傳感器特性可能產生的影響進行確認。

 

為提高對濕度的耐受性、對氣體的耐受性而用樹脂涂膜時，樹脂所含的化學成分溶劑可能會引起特性下降的情況發生。

 

 

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