氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)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?xì)?middot;丙烷氣體報(bào)警器為主的空調(diào)與空氣潔凈器、汽車等領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用?，F(xiàn)在工采網(wǎng)小編對(duì)Figaro最擅長(zhǎng)的3種氣體檢測(cè)原理進(jìn)行說(shuō)明。

 

半導(dǎo)體氣體傳感器簡(jiǎn)單的架構(gòu)

 

 

STEP1

 

在潔凈的空氣中，氧化錫表面吸附的氧會(huì)束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動(dòng)的狀態(tài)。

 

STEP2

 

在泄漏的氣體（還原性氣體）環(huán)境中，表面的氧與還原氣體反應(yīng)后消失，氧化錫中的電子重獲自由，受此影響，電子流動(dòng)通暢。

 

半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測(cè)原理

 

當(dāng)氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時(shí)，氧氣捕捉粒子中的電子后，吸附于粒子表面。結(jié)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(gè)粒子都將進(jìn)入電子耗盡層的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達(dá)到耗盡層的狀態(tài)稱為域衰竭（regional depletion）。使氧氣分壓從零（flat band開(kāi)始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導(dǎo)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(tài)下，電子耗盡層的厚度變化結(jié)束，產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)換pkT，電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大，后退則pkT縮小。

 

■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導(dǎo)體粒子的耗盡狀態(tài)在推進(jìn)能帶結(jié)構(gòu)

 

 

x:半徑方向的距離qV(x):勢(shì)壘a:離子半徑[O-]:吸附氧氣的濃度EC:傳導(dǎo)帶下端EF:費(fèi)米能級(jí)pkT:費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)換

 

傳導(dǎo)電子分布

 

 

[e]:電子濃度Nd:施子密度

 

容衰竭（volume depletion）狀態(tài)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(zhǎng)度LD通過(guò)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(shí)的電阻值R0，通過(guò)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(dǎo)體式氣體傳感器，就是這樣通過(guò)氧化錫粒子表面的[O-]的變化來(lái)體現(xiàn)電阻值R的變化。

 

置于空氣中被加熱到數(shù)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(fā)生反應(yīng)后，使[O-]減少，結(jié)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(fù)到暴露于氣體前的大小。使用氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器就是利用這個(gè)性能對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)。

 

參考文獻(xiàn)：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(cè)原理

 

催化燃燒式氣體傳感器由對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測(cè)片（D）和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償片（C）2個(gè)元件構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話，只有檢測(cè)片可以燃燒，因此檢測(cè)片溫度上升使檢測(cè)片的電阻增加。相反，因?yàn)檠a(bǔ)償片不燃燒，其電阻不發(fā)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?xì)怏w的氛圍中，可以調(diào)整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。然后，當(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時(shí)，只有檢測(cè)片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個(gè)變化表現(xiàn)為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測(cè)出來(lái)。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)定電壓而檢出氣體濃度。

 

■ (圖1)測(cè)定電路

 

 

■ (圖2)測(cè)試電路

 

 

■ (圖3)

 

 

電化學(xué)氣體傳感器：傳感器元件構(gòu)成與電極反應(yīng)式

 

 

傳感器由來(lái)自貴金屬催化劑的檢測(cè)極、對(duì)極與離子傳導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)CO等檢測(cè)對(duì)象氣體存在時(shí)，在檢測(cè)極催化劑上與空氣中的水蒸氣發(fā)生（1）式所示的反應(yīng)。

 

CO + H2O → CO2＋ 2H+ + 2e- …（1）

 

檢測(cè)極與對(duì)極接通電流（短路）后，檢測(cè)極產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)與同時(shí)產(chǎn)生的電子（e-）分別通過(guò)離子傳導(dǎo)體與外部電線（引線）各自到達(dá)對(duì)極，在對(duì)極上與空氣中的氧之間發(fā)生（2）式所示的反應(yīng)。

 

（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）

 

也就是說(shuō)此傳感器構(gòu)成了由（1）（2）反應(yīng)式形成的（3）反應(yīng)式的全電池反應(yīng)，可以認(rèn)為是將氣體作為活性物質(zhì)的電池。

 

CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）

 

當(dāng)做氣體傳感器使用時(shí)，接通檢測(cè)極與對(duì)極的電流，來(lái)測(cè)定其短路電流。

 

CO濃度檢測(cè)原理公式

 

 

對(duì)流過(guò)外部電路的短路電流與氣體濃度的關(guān)系，通過(guò)傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散控制（控制氣體的流入量），呈現(xiàn)出式子（4）這樣的比例關(guān)系（右圖）。

 

I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）

 

這里 I：短路電流；A：擴(kuò)散孔面積；σ：擴(kuò)散層長(zhǎng)度；D：氣體擴(kuò)散系數(shù)；C：氣體濃度；ｎ：反應(yīng)的電子數(shù)量

 

特長(zhǎng)

 

反應(yīng)式（1）所示的氧化電位由于比氧化電極電位的基準(zhǔn)值（2H+ + 2e- ? H2)要低（擁有較低電位），因此此反應(yīng)不需要消耗來(lái)自外部的電壓、溫度等其他能量，可以有選擇地進(jìn)行，與別的檢測(cè)方式相比在干擾性、重復(fù)性、節(jié)電方面要優(yōu)越得多。

 

氣體傳感器使用要求與注意事項(xiàng)

 

使用時(shí)請(qǐng)務(wù)必閱讀Figaro公司的產(chǎn)品技術(shù)資料，對(duì)產(chǎn)品規(guī)格與使用條件進(jìn)行確認(rèn)。

 

設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免當(dāng)電路上其他電子部件發(fā)生短路、開(kāi)路等異常狀況時(shí)給氣體傳感器帶來(lái)超過(guò)額定值的電壓、電流與溫度。

 

設(shè)計(jì)時(shí)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(dǎo)致使用了氣體傳感器的機(jī)器產(chǎn)生誤動(dòng)作、冒煙、起火或其他不穩(wěn)定的狀態(tài)，使機(jī)器的安全性受損。

 

如有必要，敬請(qǐng)考慮采取設(shè)置類似于保護(hù)電路這樣的故障保護(hù)安全措施。

 

關(guān)于使用安全注意事項(xiàng)

 

關(guān)于使用電壓

 

如果氣體傳感器被施加了超過(guò)額定值的電壓，即使未出現(xiàn)斷線與物理性損傷的情況，也有可能發(fā)生傳感器特性受到影響的情況。氣體傳感器一旦有過(guò)過(guò)電壓經(jīng)歷，請(qǐng)不要使用。

 

關(guān)于使用溫度

 

請(qǐng)不要在超過(guò)額定溫度的高溫下使用氣體傳感器。在超過(guò)額定溫度的高溫環(huán)境下電極膜會(huì)劣化，傳感器的特性很有可能會(huì)受到影響。

 

關(guān)于使用環(huán)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(kāi)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(xiàn)這樣的情況。

 

要避免在有可能使用了硅粘結(jié)劑與含有硅的發(fā)膠、硅橡膠、硅膩?zhàn)拥膱?chǎng)所使用或保管氣體傳感器。從含硅的產(chǎn)品蒸發(fā)出來(lái)的硅蒸汽有可能引起傳感器內(nèi)部氣體流入通道的堵塞。

 

氣體傳感器內(nèi)部與表面如果持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間大量結(jié)露的話，可能會(huì)引起氣體流入通道的堵塞與氣體敏感膜的劣化情況發(fā)生。正常的室內(nèi)環(huán)境中產(chǎn)生的輕微結(jié)露對(duì)氣體傳感器不會(huì)產(chǎn)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(huán)境時(shí)，有可能出現(xiàn)內(nèi)部的氣體擴(kuò)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(fā)油等產(chǎn)生的有機(jī)物蒸汽中，氣體敏感部吸附有機(jī)物蒸汽，可能會(huì)發(fā)生傳感器特性短時(shí)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(nèi)部發(fā)生孔眼堵塞的情況。如果可以預(yù)知是這樣的使用環(huán)境，建議在氣體傳感器的上部加裝外接過(guò)濾器。

 

當(dāng)在低溫環(huán)境中發(fā)生快速凍結(jié)的情況時(shí)，氣體傳感器內(nèi)部可能發(fā)生漏水對(duì)氣體傳感器的特性產(chǎn)生影響。尤其是當(dāng)把蓋帽朝下設(shè)置于機(jī)器中的時(shí)候，很容易發(fā)生這樣的情況。

 

如何處理

 

請(qǐng)不要將傳感器浸入水中、或?qū)⑺疄⒌絺鞲衅魃希駝t有可能對(duì)傳感器的特性造成影響。

 

如果讓氣體傳感器受到強(qiáng)烈震動(dòng)或撞擊，其內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生斷線或短路等情況。

 

請(qǐng)不要隨意分解氣體傳感器，也不要使本體與蓋帽部位發(fā)生變形。

 

關(guān)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(qiáng)的容器內(nèi)保管的話，因周圍溫度的變化氣體傳感器內(nèi)部可能出現(xiàn)結(jié)露的情況。

 

設(shè)計(jì)應(yīng)用機(jī)器時(shí)的注意事項(xiàng)

 

出現(xiàn)零度以下的低溫時(shí)水槽里的水有可能結(jié)冰凍結(jié)，一般情況下結(jié)冰不會(huì)對(duì)氣體傳感器的特性產(chǎn)生影響，但水結(jié)冰后體積增大有可能使氣體傳感器胴體發(fā)生變形的情況出現(xiàn)。設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要注意防止氣體傳感器因結(jié)冰變形后與配置在周圍的其它電子產(chǎn)品和電路基板發(fā)生接觸。

 

安裝時(shí)的注意事項(xiàng)

 

用焊錫將傳感器焊接到電路基板時(shí)，如果使用焊錫槽，焊錫產(chǎn)生的高濃度助焊劑蒸汽有可能對(duì)傳感器特性產(chǎn)生影響。我們建議手焊操作。考慮使用焊錫槽的話，請(qǐng)?jiān)诹慨a(chǎn)前用試驗(yàn)組預(yù)先對(duì)傳感器特性可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行確認(rèn)。

 

為提高對(duì)濕度的耐受性、對(duì)氣體的耐受性而用樹(shù)脂涂膜時(shí)，樹(shù)脂所含的化學(xué)成分溶劑可能會(huì)引起特性下降的情況發(fā)生。

 

 

推薦閱讀：