氣體傳感器基礎(chǔ)知識講解

1、氣體傳感器基本知識傳感器是對信息有感受的器件。 按照傳感器感知的信息種類分類： 傳感器分為物理量 （物理信息） 傳感器、化學(xué)量（化學(xué)信息）傳感器、生物量（生物信息）傳感器。物理量傳感器包括 :力學(xué)量，光學(xué)量，熱學(xué)量，電學(xué)量傳感器。 即力、光、熱、電。力學(xué)量中常見 :壓力，加速度，位移；光學(xué)量中 常見 :可見光，紅外，紫外。熱學(xué)量中常見 :低溫，中溫，高溫。電學(xué) 量中常見 :電流，電壓，電場，電磁等；化學(xué)量傳感器 :成份、濃度。生物量傳感器 :血壓、血糖、血脂、心率等。 按照傳感過程中信息和傳感器的作用過程的屬性分類： 傳感器可 以分為物理類、化學(xué)類、生物類氣體傳感器是測量氣體成分和濃度的化學(xué)量

2、傳感器。氣體傳感器按氣體與傳感器的作用方式分類 :物理類，化學(xué)類、 生物類。物理類即傳感作用過程是物理過程， 即傳感作用過程不導(dǎo)致氣體 化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 化學(xué)類即傳感作用過程是化學(xué)過程， 即傳感作用 過程導(dǎo)致氣體化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。生物類即傳感作用過程是生物過 程，即傳感作用過程通過生物活動導(dǎo)致氣體化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。常見的物理類氣體傳感器 :熱傳導(dǎo)、紅外吸收，表面聲波， QCM化學(xué)類 :半導(dǎo)體，催化，電化學(xué)等生物類在普通工業(yè)、家庭不太常用在常見的氣體傳感器 PID嚴(yán)格講是另類 :為物理化學(xué)類。即物理方 法導(dǎo)致化學(xué)變化。氣體傳感器門類眾多， 一下進介紹幾種常見的不同工作原理的氣 體傳感器半導(dǎo)體氣

3、體傳感器： 原理:在一定的溫度條件下，被測氣體到達半導(dǎo)體敏感材料表 面時將與其表面吸附的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ,并導(dǎo)致半導(dǎo)體敏感材料電阻 發(fā)生變化， 其電阻變化率與被測氣體濃度呈指數(shù)關(guān)系， 通過測量電阻 的變化即可測得氣體濃度。單支半導(dǎo)體氣體傳感器通過選擇性催化、 物理或化學(xué)分離等方式在已知環(huán)境中可以實現(xiàn)對氣體的有限識別。 大 規(guī)模半導(dǎo)體氣體傳感器陣列可以實現(xiàn)對未知環(huán)境中氣體種類的精確 識別。半導(dǎo)體顧名思義是電導(dǎo)率介于絕緣體與導(dǎo)體之間的物質(zhì)。半導(dǎo) 體氣體傳感器的敏感材料就這么一種物質(zhì)。 常見的氣體敏感材料分為 表面控制型和體控制型。表面控制即電阻由晶粒表面和晶粒晶界控 制，體控制即電阻由晶粒尺寸和載

4、流子濃度控制。 用于氣體傳感器的 半導(dǎo)體材料除具有半導(dǎo)體的屬性外還需要具備以下條件 :a、易獲得， b、在較低溫度下對氧氣和目標(biāo)氣體有很好的吸附能力； c、自身有良 好催化特性； d、機械結(jié)構(gòu)可調(diào)； e、電性能可調(diào)； f、燒結(jié)性能好； g、 氧氣和被測氣體在室溫或一定的溫度條件下， 在其表面有很好的化學(xué) 反應(yīng)能力、并在該溫度下對反應(yīng)產(chǎn)物有較好的脫附能力； h、與其它輔助材料成型后有較好的相融性、 化學(xué)穩(wěn)定性、并有適合的微缺陷等。符合這種條件的常見材料二氧化錫、氧化鎢、氧化銦、偏錫酸鋅等。 這里最重要的概念與性能的對應(yīng)關(guān)系 :溫度 -功耗、漂移 ;吸附及化學(xué)反 應(yīng)-靈敏度、選擇性、漂移、線性、初

5、始穩(wěn)定時間以及響應(yīng)時間 ;脫附 - 恢復(fù)時間。 半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)點： 廉價、耐用、設(shè)計及制造過程簡單。 半導(dǎo)體傳感器的弱點 :功耗大、漂移、線性差。無論其優(yōu)點還是弱點 均與上述對應(yīng)關(guān)系相關(guān)。如漂移 :傳感器會吸附氧氣，當(dāng)氧氣濃度變 化時 （如雨天，氧濃度變小 ），吸附量會變化，零點必會漂啊漂?？傊?半導(dǎo)體傳感器的優(yōu)缺點首先是由其工作原理決定的， 是先天的。 后天 的設(shè)計、制造可以改善，但不能消除。紅外氣體傳感器 :原理 :由不同原子構(gòu)成的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率，當(dāng)其 受到相同頻率的紅外線照射時 ,就會發(fā)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；

6、需要說 明的是振動、 轉(zhuǎn)動是兩種不同的運動形態(tài)， 這兩種運動形態(tài)會對應(yīng)不 同的紅外吸收峰， 振動和轉(zhuǎn)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(jù)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(qū)所 有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。 但在已知環(huán)境條件下， 根據(jù) 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(zhì)都會產(chǎn)生紅外幅射， 紅外幅射與溫 度正相關(guān)，因此， 同催化元件一樣，為消除環(huán)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(gòu)成。一個完整的紅外氣體傳感

7、器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測 器和信號調(diào)理電路構(gòu)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(gòu)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(nèi)部原子間 靠化學(xué)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(zhuǎn) 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(nèi)部原子間靠化學(xué)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(fā)生變化，

8、即振動、轉(zhuǎn)動，而且不同的分 子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率 ,當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時會產(chǎn) 生諧振、原子間距離和電子分布發(fā)生變化即偶極距發(fā)生變化， 紅外吸 收就是這樣產(chǎn)生的 （紫外吸收同理 ）。以上內(nèi)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(chǎn)生紅外吸 收。氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構(gòu)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(gòu)成的分子正負電荷中心完全重疊， 即偶極距為 零，其結(jié)果是電子在分子中的分布是均衡的， 以紅外光本身的低能

9、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(dǎo)致能量變化。而不同原子構(gòu)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(zhuǎn)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(dǎo)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(chǎn)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

10、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(zhuǎn)移。 不同原子組成的分子與紅外線相互作用則 有能量轉(zhuǎn)移。因此，紅外吸收原理不能測相同原子構(gòu)成的分子。紅外 吸收原理只能測不同原子構(gòu)成的分子。 由于同一分子內(nèi)部運動的多樣 性使其具多種不同的振動頻率和轉(zhuǎn)動頻率， 因此，對紅外吸收的分子 會有多個吸收峰；另外，具有相同化學(xué)鍵的分子 （如水和酒精分子中 的氫氧鍵 ）會有相近的吸收峰，干擾由此產(chǎn)生。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(tǒng)，能把 7 色光分開。有分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即色散型光學(xué)系統(tǒng) ,無

11、 分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即非色散性。非色散系統(tǒng)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(zhuǎn)動頻率相同時才會產(chǎn)生紅外吸收， 理論上在設(shè) 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(shè) 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(xué)腔體、濾光片 （光柵 ）、探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)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(yōu)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。

12、缺點 :1、昂貴。紅外氣體傳感器本質(zhì)上是紅外幅射導(dǎo)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(fù)雜。 要 求系統(tǒng)有如下特征 :光源必須有穩(wěn)定的紅外幅射；光學(xué)腔體物理化學(xué) 性質(zhì)穩(wěn)定；濾光片及紅外探測器穩(wěn)定。這些問題，合理的工藝技術(shù)本 身能較好的解決，但是制造成本高，導(dǎo)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(shè)計中， 濾光片本身不能實現(xiàn)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(xué)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(fā)生轉(zhuǎn)換 的檢測對象都會對檢測結(jié)果造成影響

13、。近紅外 :波長 0.7um2.0um；中紅外 :波長 2.0um15um。氣體吸收 峰 :每一種氣體的吸收峰不止一個如 :甲烷在近紅外 1.3um，1.65um； 中紅外 2.6um、 3.31um，3.43um，6.5um 等處都有吸收峰。激光光源 :最接近單色光的光源。 我們大概容易想到，同一氣體分子的振動、轉(zhuǎn)動的多樣性導(dǎo)致其 有多個吸收峰； 含有相同化學(xué)鍵的分子會有相近的吸收峰。 因此紅外傳感器的技術(shù)發(fā)展路徑很清楚 :單色光源、集成化、微型化、低功耗目前最大的問題 :近紅外區(qū)只有個別波長有較廉價的激光器做單色 光，而且在近紅外區(qū)氣體吸收較弱。 在氣體對紅外的強吸收區(qū)中紅外 區(qū)，激光器制

14、造工藝復(fù)雜， 激光材料、理論及器件未有商業(yè)價值突破， 導(dǎo)致中紅外激光器極昂貴。 這嚴(yán)重限制了紅外氣體傳感器在復(fù)雜環(huán)境 下的應(yīng)用。在常見的氣體中目前二氧化碳是紅外原理最強的應(yīng)用,也是基于節(jié)能的最具商業(yè)前景的應(yīng)用；其次是甲烷。催化燃燒式氣體傳感器 :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(dāng)可燃性氣體與 上述球體接觸時會與其表面的吸附氧發(fā)生劇烈的無焰燃燒反應(yīng)， 反應(yīng) 釋放的熱量導(dǎo)致鉑線圈溫度變化， 溫度變化又導(dǎo)致鉑線圈電阻發(fā)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

15、傳感器，為克服環(huán)境溫度變化帶來的干擾， 催化元件會成對構(gòu)成一支完整的元件，這一對中一個對氣體有反應(yīng)， 另一個對氣體無反應(yīng)， 而只對環(huán)境溫度有反應(yīng)， 這樣兩支元件相互對 沖就可以消除環(huán)境溫度變化帶來的干擾。 從溫度傳感器去理解催化元 件會在開發(fā)、應(yīng)用時引導(dǎo)我們不僅僅關(guān)注傳感過程中化學(xué)反應(yīng)本身， 也會吸引我們?nèi)ジ嗟年P(guān)注傳感過程與溫度有關(guān)的溫度場的分布與 變化、溫度場與傳感器球體的位移關(guān)系、熱傳導(dǎo)與熱幅射、及傳質(zhì)與 熱傳導(dǎo)等。實際上，決定催化元件性能的因素中，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生 只是眾多傳感要素中不太重要的要素， 和熱傳遞相關(guān)的因素才是最核 心的。和半導(dǎo)體元件不同，催化元件傳感過程較為復(fù)雜，前者是氣

16、體 與傳感器接觸后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)直接導(dǎo)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(fā)生的化學(xué)反應(yīng)首先導(dǎo)致的結(jié)果是傳 感器載體表面及載體內(nèi)部的溫度變化， 載體的溫度變化經(jīng)過熱傳遞最 終導(dǎo)致鉑線圈電阻的變化，完成傳感的全過程。傳感過程復(fù)雜，導(dǎo)致 問題產(chǎn)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(dǎo)體來說， 不完全反應(yīng)導(dǎo)致的積炭只會對反應(yīng)過程產(chǎn)生影響， 而 不會對電子傳輸產(chǎn)生大的影響， 而對催化來講， 炭的存在不僅影響反 應(yīng)過程， 更會對熱傳遞產(chǎn)生劇烈影響， 結(jié)果是反應(yīng)產(chǎn)生的熱量向傳感 器內(nèi)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

17、的存在，導(dǎo)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(yīng)必須在瞬間完成， 即要求有極高的反應(yīng)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(nèi)反應(yīng)放熱和氣體濃度是線 性的。因此，兩個因素任一發(fā)生變化，就會導(dǎo)致傳感器線性變化。實 際上，鉑線圈會持續(xù)升華變細即導(dǎo)阻變大； 反應(yīng)釋放的熱量與濃度的 線性關(guān)系只在氣體濃度為爆炸下限以內(nèi)時才成立。催化元件的未來主要取決于工藝技術(shù)的進步 :1、結(jié)構(gòu)改進，解決

18、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(fā)新材料改善積碳。 4、制造過程對設(shè)計實現(xiàn)的保障如避免形變。 5、 MEMS化。需要說明的是，器件結(jié)構(gòu)、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(fā)新的應(yīng)用。和半導(dǎo)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(yīng)用定位會更精準(zhǔn)專一。 7，催化元件不會被淘汰。電化學(xué)傳感器 : 電化學(xué)就是研究電學(xué)和化學(xué)行為之間關(guān)系的學(xué) 科。這個學(xué)科最重要的應(yīng)用是電能與化學(xué)能之間的高效轉(zhuǎn)換和大功率 密度存儲技術(shù)。 我們知道傳感器表觀上是信息種類、 信息量的轉(zhuǎn)換裝 置，如壓力信息轉(zhuǎn)換為

19、電信息的壓力傳感器等。 本質(zhì)上傳感器是一種 能量轉(zhuǎn)換裝置，如壓力傳感器就是把機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。 因此， 很容易理解，電化學(xué)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(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)裝起來， 插入兩個不同材料 的電極，用導(dǎo)線連接就會有電產(chǎn)生。以鉛酸蓄電池為例，硫酸水溶液 就是導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)，把鉛放進其中，在鉛和硫酸接觸的地方 （界面 ） 會產(chǎn)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(dǎo)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(xué)量及反應(yīng)過程相關(guān)聯(lián)。這里 最重要的概念 :一是把一個導(dǎo)體插入導(dǎo)電的化

20、學(xué)物質(zhì)中界面會產(chǎn)生電 位，同一種物質(zhì)中插入不同的導(dǎo)體產(chǎn)生不同的電位。 二是不同的電位 相連接， 在界面會發(fā)生反應(yīng)。 三是導(dǎo)電回路由電池和外接導(dǎo)線兩部分 構(gòu)成。電池外部在連接導(dǎo)線內(nèi)是電子，電池內(nèi)是離子。即導(dǎo)電過程由 電子移動和離子移動共同完成。為什么產(chǎn)品設(shè)計要追求極簡?在鉛、氧化鉛、 硫酸水溶液構(gòu)成的鉛酸蓄電池中， 鉛是產(chǎn)生并輸送電子的一 極，氧化鉛是獲得電子的一極， 兩個電極在硫酸水溶液兩端電極間產(chǎn) 生電壓。如果用導(dǎo)線把兩個電極連起來， 電子就會從鉛通過導(dǎo)線流到 氧化鉛，硫酸水溶液中氫離子從鉛那一端通過硫酸水溶液流到氧化 鉛。電化學(xué) CO氣體傳感器是一個化學(xué)電池即 CO燃料電池。其中: CO

21、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(zhì)。 和鉛酸蓄電池最大的不同是電極材料不同， 電化學(xué)氣體傳 感器（co）電極材料是氣體，鉛酸蓄電池是固體。電化學(xué)氣體傳感器的 電極叫氣體電極。電化學(xué) 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(dǎo)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(dǎo)電電極）提供。其二， CO 提供的電子需要導(dǎo)體收集后傳導(dǎo)， 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(xié)助

22、獲得電子。 鉑電極實際上是反應(yīng)平臺。 電化學(xué)傳感器傳感原 理雖然簡單，但是實現(xiàn)可靠精確的傳感卻很難 :其一需要鉑電極有穩(wěn) 定的多孔結(jié)構(gòu)，孔的數(shù)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(xué)反應(yīng)沖擊、電泳驅(qū)動下保持穩(wěn)定，是可靠精確傳感的核心。其 二，硫酸水溶液要穩(wěn)定，不揮發(fā)，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液 的質(zhì)量變化都會導(dǎo)致傳感器內(nèi)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(yīng)力 要穩(wěn)定不變。

23、 目前電化學(xué)傳感器的主要問題基本源于上述因素。 電化 學(xué)傳感器最核心的技術(shù)及工藝之一是如何構(gòu)建孔的物理結(jié)構(gòu)合理穩(wěn) 定可靠的電極，它和靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)、壽命、溫度特性密切相關(guān)。 其二是封裝。 電化學(xué)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(dǎo)致的中毒失活， 電極孔結(jié) 構(gòu)解體導(dǎo)致的失活。體現(xiàn)在性能上是漏液、壽命短 （相比其它原理 ）、 體積大。體現(xiàn)在制造上表現(xiàn)為設(shè)計、工藝復(fù)雜、制造成本昂貴。這些 問題其中多數(shù)與液態(tài)電解液有關(guān) ;中毒則與電催化反應(yīng)性質(zhì)有關(guān)。同 樣的，這些問題可以通過好的技術(shù)工藝路線去改善他，卻不能消除。 需要注意的是 :正確的技術(shù)工藝設(shè)計最

24、終體現(xiàn)在產(chǎn)品上需要在和傳感 器場景應(yīng)用互動過程中長時間 （數(shù)年 ）的積累、修正、完善，才能實現(xiàn) 該設(shè)計理論框架下的理想產(chǎn)品。 一個沒有經(jīng)歷這個過程的技術(shù)， 無論 多先進，都難以立刻變成先進的產(chǎn)品。關(guān)于這一點，中國的基礎(chǔ)工業(yè) 中航空發(fā)動機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀就是對科學(xué)與技術(shù)工藝關(guān)系最生動 的注腳。電化學(xué)傳感器的未來：明確的方向是電解液室溫固態(tài)化并以此為 基礎(chǔ)實現(xiàn) MEMS 化。實現(xiàn)固態(tài)化和 MEMS 化的電化學(xué)傳感器不僅能 夠克服包括制造在內(nèi)的大部分問題， 而且可以激發(fā)新的應(yīng)用， 為企業(yè) 帶來新的增長。此時的電化學(xué)傳感器將是高度一體化的，易集成的、 小巧的電子系統(tǒng)。 但是， 這樣的結(jié)果仍然不能克服高

25、濃度或被測氣體 長期與傳感器接觸導(dǎo)致的傳感器性能變化。PID:即光離子化檢測器。原理簡述 :由紫外光源和氣室構(gòu)成。紫外發(fā)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(fā)射的紫 外光電離產(chǎn)生電荷流， 氣體濃度和電荷流的大小正相關(guān)， 測量電荷流 即可測得氣體濃度。特殊氣體 :物理形態(tài)多變、化學(xué)過程及反應(yīng)生成物復(fù)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(fù)雜氣體的檢測面臨巨大挑戰(zhàn)。 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。

26、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(xiàn)對 voc 總量的檢測。紅外系統(tǒng) 若實現(xiàn)總量評價， 則需要全光譜響應(yīng)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(xiàn)，即使實現(xiàn)，在全光譜范圍內(nèi)，無機氣 體、水的干擾將順理成章。 而化學(xué)傳感器中半導(dǎo)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(yīng)用。在這樣的背景下，在工業(yè)現(xiàn)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 11.7e

27、v）。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(qū)， PiD的響應(yīng)可以認(rèn)為是 voc 的響應(yīng)。PID 工作原理祥述 :1、在真空玻璃腔內(nèi)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(nèi)的稀有氣體被 外加電場電離出電子和離子， 電子和離子復(fù)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(nèi)被測氣體被紫外光 電離產(chǎn)生電子

28、和離子，電荷在電場作用下產(chǎn)生電流，就可以測到了。我們大概不難想到， PlD穩(wěn)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(chǎn)生紫外光的高頻電場必須是穩(wěn)定的。 3、 玻璃腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體， 雜質(zhì)氣體會導(dǎo)致附加電離， 影響紫外發(fā) 光效率。 4、紫外光譜是穩(wěn)定、均勻的。 5、紫外光到達氣室的傳輸是 穩(wěn)定、均勻并不與構(gòu)成氣室的金屬電極材料相互作用而產(chǎn)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(fā)光物質(zhì)必須是氣體才能均勻發(fā)光并 傳輸。腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體，以防止附加電離等。這些要求決定了 發(fā)光氣體的選擇只能是稀有氣體。 窗口材料則必須對紫

29、外透明并具有 穩(wěn)定的理化性質(zhì)， 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(yīng)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(zhì)是使被測物質(zhì)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(fā)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

30、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(shù)， 在目前的 材料體系中選擇也極有限。人們雖然開發(fā)出 11.7ev 的發(fā)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(dǎo)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(zhì)。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(huán)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

31、。PID在工作時，氣室內(nèi)被電離的物質(zhì)相遇時會復(fù)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(chǎn)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(dǎo)致零點漂移、靈敏度降低，影響檢測結(jié)果。實際上除了 PiD 燈的制備技術(shù)、氣室設(shè)計， PID 燈紫外透過窗口的清洗技術(shù)也是核心 技術(shù)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(nèi)充氣前的真空度以及填充氣體純度以提高發(fā)光效率和發(fā) 光穩(wěn)定性； 3、開發(fā)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(zhì)量、以及穩(wěn)定性和壽命。 4、預(yù)防色散導(dǎo)致窗口的重 金屬沉積

32、，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(shù)； 6、輸出能量更高的長壽命 PID 燈的開發(fā)； 7、小體積。氣體傳感器和其它傳感器一樣門類眾多。 除了上述五大類外還有 熱傳導(dǎo)式氣體傳感器 :本質(zhì)上是溫度傳感器，也主要由鉑線圈構(gòu)成， 只是包裹材料為化學(xué)墮性的玻璃體， 將其保持一定溫度， 忽略其它因 素，當(dāng)空氣成份穩(wěn)定時，空氣的熱傳導(dǎo)率是穩(wěn)定的，傳感器熱平衡后 溫度是恒定的。由于不同的物質(zhì)有不同的熱傳導(dǎo)率， 當(dāng)有被測氣體時， 傳感器的熱平衡被打破，溫度變化，導(dǎo)致電阻變化。這個電阻變化和 氣體濃度正相關(guān)。和催化元件的區(qū)別，熱傳導(dǎo)是純粹的物理過程。其原理的氣體傳感器它略去。以上個世紀(jì)

33、50 年代為界，科學(xué)大發(fā)現(xiàn)已告一段落，從那時起， 人們幾乎沒有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生重要學(xué)科的科學(xué)原理， 也沒有產(chǎn)生可以和愛因 斯坦、玻爾、費米、普朗特、居里夫婦相比肩的偉大科學(xué)家，那個時 代是科學(xué)史上巨匠輩出、 群星璀璨的時代。 我們現(xiàn)在使用的傳感器其 工作原理大都是那個年代發(fā)現(xiàn)的。通過上面的內(nèi)容 :我們至少可以判 斷常見的不同原理的氣體傳感器如 :半導(dǎo)體、催化、電化學(xué)、紅外、 PID、表面聲波、 QCM（石英微天平 ）等并無先進落后之分。 熟知的典型 例子是 PID，它擅長測試有機蒸氣，卻測不了甲烷，因為 PID 的紫外 幅射能量要低于 cH4分子的電離能， 而沒有能力解理甲烷分子。 但紅 外氣體傳感器

34、卻表現(xiàn)優(yōu)異，因此 PID一點兒也不比紅外先進。只是在 有機蒸氣測試領(lǐng)域 PID是最佳選擇。 因此不同原理的傳感器之間的完 全替代的說法是很荒謬的。如 :紅外氣體傳感器替代催化元件，催化元件替代半導(dǎo)體氣體傳感器等。這種想法產(chǎn)生的根源在于:對于發(fā)展成熟的產(chǎn)品，人們通常會賦予超出其能力的任務(wù)。如 :對化學(xué)傳感器 來說檢測諸如 NH3、乙炔等反應(yīng)過程、 產(chǎn)物復(fù)雜的氣體， 從原理講不 可能測得好， 又因為各種原因又不得不用， 直至另一種原理的傳感器 來讓其解脫。在這種背景下， 一個先進與否的傳感器應(yīng)更多的從工藝 技術(shù)角度去判斷， 新的工藝技術(shù)導(dǎo)致的直接結(jié)果是制造過程的可控與 高效，進而導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性、

35、 一致性的大幅度提高以及成本的降低； 而且可以激發(fā)新的應(yīng)用，為企業(yè)帶來新的增長。典型比對 :平面厚膜 Vs 管式厚膜半導(dǎo)體氣體傳感器；集成式紅外 （你曾提供的俄羅斯的產(chǎn) 品 ）Vs分立器件組合式紅外氣體傳感器 （煒盛、四方、 city 等），激光紅 外氣體傳感器 vs 分立器件組合式紅外氣體傳感器， MEMS 半導(dǎo)體氣 體傳感器 Vs 平面厚膜半導(dǎo)體氣體傳感器，固態(tài)電化學(xué) （solid 產(chǎn)品 ）電 解質(zhì)氣體傳感器 vs 液態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)氣體傳感器等。需要注意的是 新的工藝技術(shù)要經(jīng)歷很長時間才能成熟， 成熟之前其性能很難與傳統(tǒng) 工藝相匹敵，但這并不能否定其先進性。如果以催化元件為起點，目前眾多門

36、類的氣體傳感器的誕生在 于兩方面的驅(qū)動。一是我們除了測瓦斯，還需要測別的氣體如co、H2S等，而催化元件無此能力， 人們只有開發(fā)能勝任新任務(wù)的傳感器， 并且希望新開發(fā)的傳感器是一種多任務(wù)傳感器以替代催化元件， 但一 直沒有成功。電化學(xué)傳感器就是這么誕生的，顯然，我們不能說電化 學(xué)比催化先進或反之。 另一個驅(qū)動力是基于催化元件在測量瓦斯時有 很惱人的問題如中毒導(dǎo)致壽命短、 結(jié)構(gòu)漂移導(dǎo)致測量誤差大到難以預(yù) 防瓦斯爆炸等。 解決問題的路徑兩條， 其中一條就是開發(fā)另一種原理 的傳感器；另一條是改善催化元件。第一條導(dǎo)致了半導(dǎo)體、小型紅外 傳感器的誕生。 但是到目前為止半導(dǎo)體在井下已徹底失敗， 紅外除了

37、在井下特定性區(qū)域獲得小范圍商業(yè)應(yīng)用外， 也沒有成功。 另一條通過 化學(xué)、物理、結(jié)構(gòu)等方面進行的持續(xù)改善的努力取得的進展使催化元 件繼續(xù)保持強大的競爭能力。在此，我們?nèi)匀徊荒苷f紅外是先進的， 催化是落后的。但是紅外在很多其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用也充分證明了其 價值。這里面隱含了一個重要的理念 :適合的就是最好的，適合不適 合一要看對傳感器應(yīng)用對象、 領(lǐng)域的準(zhǔn)確定義， 二要看傳感器對其擅 長的檢測任務(wù)的勝任能力，三是要看經(jīng)濟性。什么是先進傳感器技術(shù)， 這個問題有點復(fù)雜。 需要從兩方面看即 從科學(xué)原理和從技術(shù)路線看。以煤礦用催化瓦斯傳感器為例:最早的瓦斯傳感器是瓦斯燈， 就是在礦下點燃油燈， 瓦斯?jié)舛鹊淖?/p>

38、化可以使 燈焰的高度發(fā)生變化， 這應(yīng)該是歷史上最早的氣體傳感器， 也用了很 多年。他最大的問題首先是靈敏度低如 :1%濃度和 5%濃度沒什么差 別；其次是信號傳輸即粉塵、距離可能導(dǎo)致看不清；再次難隔爆。最 終的結(jié)果是預(yù)防事故發(fā)生的效果不好。 具有現(xiàn)代意義的氣體傳感器是 由美國人在 1943 年發(fā)明的，即催化元件的原生版鉑絲線圈。首先這 個傳感器科學(xué)原理先進， 這個科學(xué)原理使傳感器可以把氣體信號延伸 變成可讀數(shù)的電信號、 可傳播的聲信號乃至光信號。 其次工藝技術(shù)路 線先進，即能夠使用工業(yè)化的手段讓產(chǎn)品易于大規(guī)模制造并更容易對 制造過程進行管控使產(chǎn)品更以大規(guī)模制造， 性能也更可靠。 現(xiàn)在的催 化元

39、件是在此基礎(chǔ)上加上催化載體并不斷進化的結(jié)果， 在以后幾十年 的演變中催化元件只是通過優(yōu)化技術(shù)路線逐步進化改進 （沒有巔覆 ）， 改善穩(wěn)定性、提高靈敏度、降低功耗、延長壽命等。即目前使用的催 化元件與當(dāng)初的 Pt 線圈相比技術(shù)路線先進多了。氣體傳感器為什么會有這么多門類 ?通俗講 :要測的氣體總類太多， 應(yīng)用環(huán)境要求多樣， 任何一類傳感器其擅長的檢測對象都很有限， 也 算是傳感器之術(shù)業(yè)有專攻。 不同種類的傳感器相互之間應(yīng)用上雖然會 有交叉，但在各自擅長的領(lǐng)域，卻很難相互取代。如催化及紅外元件 做不到比半導(dǎo)體更耐用、廉價和方便，因此在家報領(lǐng)域，催化和紅外 取代半導(dǎo)體是極難的。 紅外做不到比催化更廉

40、價和方便， 因此在中低 端工報領(lǐng)域紅外取代催化是極難的。 而在室溫二氧化碳檢測方面， 紅 外幾乎是唯一選擇，等等。小結(jié)：PID、紅外氣體傳感器、化學(xué)類氣體傳感器 :PID傳感過程 :物理方法即紫外線照射氣體， 化學(xué)變化即紫外線把 氣體分子如甲苯打開變成碳 -氫離子，電荷在電場作用下移動形成離 子電流，測電流即可，之后離子復(fù)合還原。紅外氣體傳感器 :紅外線照射氣體，被氣體吸收紅外能量，紅外 光強變小，測紅外光的變化可。其中，氣體吸收紅外后，只是氣體分 子振動，轉(zhuǎn)動幅度變化了。就象拍藍球，加力使球彈得更高，但球還 是那個球。化學(xué)類氣體傳感器 :電化學(xué) CO為例: CO和水中的氧在傳感器電極 上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， CO 變成了二氧化碳，過程中有電子從 CO 中之 C 上流出到達對電極， 由對電極上的氧氣獲得， 對由此產(chǎn)生的電流或電 壓進行測量即可測到 CO。此時 CO變成了二氧化碳。從傳感器到儀表 :傳感器是基礎(chǔ)的核心部件，傳感器的基礎(chǔ)是功 能材料及相關(guān)材料。 傳感器的進化有兩個路經(jīng)牽引， 其一是儀表牽引， 即設(shè)計一款儀表時尋找匹配的傳感器， 如果沒有現(xiàn)成的， 如果這個需 求有國防安全、民生價值， 人們就會配置資源開發(fā)。