气体传感器的性能分析

气体传感器的性能分析
摘 要气体传感器是现代检测手段之一,具有广泛的应用和发展潜力。阐述气
体传感器的选择原则,并分析各类气体传感器的性能。

关键词气体传感器;选择;性能分析
1气体传感器的选择
1.1根据测量对象、环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析
多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感
器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的
使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测
量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的
来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定
选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。

1.2灵敏度的选择
通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏
度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意
的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统
放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比。传感器的灵敏
度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方
向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越
好。

1.3响应特性(反应时间)
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保
持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越
好。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,选择适当
的气体传感器。

1.4线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,
灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量
精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测
量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,
这会给测量带来极大的方便,
2气体传感器的分类与性能
通常以气敏特性来分类,主要可分为:半导体型气体传感器、电化学型气体传
感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器等。

2.1半导体气体传感器
半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件,
与气体相互作用时产生表面吸附或反应,引起以载流子运动为特征的电导率或伏
安特性或表面电位变化。半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实
用价值的一类气体传感器,根据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器,是一
种用金属氧化物薄膜(例如:Sn02,ZnOFe2O3,TiO2等)制成的阻抗器件,其电阻随着
气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的
变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧
化反应进程。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对
湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的
选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高。当探测气体中混有硫
化物时,容易中毒。现在除了传统的SnO,SnO2和Fe2O3三大类外,又研究开发了
一批新型材料,包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧
化物材料。这些新型材料的研究和开发,大大提高了气体传感器的特性和应用范
围。另外,通过在半导体内添加Pt,Pd,Ir等贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响
应时间。它能降低被测气体的化学吸附的活化能,因而可以提高其灵敏度和加快
反应速度。催化剂不同,导致有利于不同的吸附试样,从而具有选择性。

非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管
式(MOSFET)半导体气体传感器。其中,MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有
机化合物(VOC)与催化金属接触发生反应,反应产物扩散到MOSFET的栅极,改变
了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种
类和膜厚可优化灵敏度和选择性,并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏
度高,但制作工艺比较复杂,成本高。

2.2电化学型气体传感器
电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极
式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数,市售的
检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解
时流过的电流来检测气体的体积分数,和原电池式不同的是,需要由外界施加特定
电压,除了能检测CO,NO,NO2,O2,SO2等气体外,还能检测血液中的氧体积分数。
电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积
分数。离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的
体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。
2.3固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。
1)材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器,例
如氧气传感器等。2)材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相
同的传感器,例如用于测量氧气的由固体电解质SrF2H和Pt电极组成的气体传感
器。3)材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及材料中的固定
离子都不相同的传感器,例如新开发高质量的CO2固体电解质气体传感器是由固
体电解质NASICON(Na3Zr2Si2PO12)和辅助电极材料Na2CO3-BaCO3或
Li2CO3-CaCO3,Li2CO3-BaCO3组成的。目前新近开发的高质量固体电解质传感
器绝大多数属于第三类。

2.4接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式,其工作原
理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下,可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂
作用下氧化燃烧,电热丝由于燃烧而升温,从而使其电阻值发生变化。此类传感器
在环境温度下非常稳定,并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。

3结束语
综上所述,不同种类的气体传感器适用于不同气体检测与控制的需求,随着现
代工业的发展,尤其是绿色环保理念的不断加强,气体传感器技术的开发应用必将
具有非常广阔的发展前景。