气体传感器的分类与工作原理浅探

雷菊华,方志兵

（重庆市经贸中等专业学校,重庆 402160）

随着科学技术的发展，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术受到了广泛的关注。我国国家标准(GB7665-87)中传感器定义为“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。它与人类的感官相对应，可分为光敏传感器（视觉）、声敏传感器（听觉）、气敏传感器（嗅觉）、化学传感器（味觉）和压敏、温敏、流体等传感器（触觉）。

气体传感器以气敏器件为核心组成，在检测系统中的作用相当于人类的鼻子，将气体种类、浓度等参量转化成电信号输出。对气体传感器的基本性能要求是：

（1）较好的选择性，不受其他气体干扰，能按要求检测出气体浓度；

（2）可以重复多次使用，使用寿命较长和稳定性好；

（3）能实现实时监测。

由于不同气体具有不同性质，为了能检测不同种类的气体，所需的气体传感器的种类也就比较多。

按被测气体的性质分为：（1）检测氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等易燃易爆气体的传感器；（2）检测如氯气、硫化氢、砷烷等有毒气体的传感器。（3）检测工业过程气体的传感器，如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳。（4）检测甲醛、臭氧等大气污染的传感器。

根据气敏材料及作用效应可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、光学气体传感器、催化燃烧式气体传感器等。

根据作用原理可将气体传感器可分为：（1）电学类气体传感器，利用气敏材料的电学参量反映气体浓度的变化。（2）光学类气体传感器，利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度。（3）高分子气敏材料气体传感器。（4）电化学类气体传感器。

此外，按传感器的输出可分为电阻式和非电阻式；按气体传感器的结构还可分为干式和湿式。

较为常见的几种气体传感器件的工作原理和特性分析如下：

1 金属氧化物半导体气体传感器

电阻式气体传感器是由气体分子引起气敏材料阻值的变化，目前已研发出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，这是除了传统的SnO、SnO2和Fe2O3材料以外的一批新型材料。非电阻式气体传感器是一类较为常见的半导体气敏器件，它利用了敏感气体会改变MOSFET开启电压的原理，这类器件使用简单方便，无需设置工作温度，稳定性好，灵敏度较高，易集成，市场上应用最为广泛，但选择性有待改善。

2 催化燃烧式气体传感器

此类传感器采用惠斯通电桥原理，感应电阻与周围的可燃气体发生无焰燃烧，感应电阻变化的阻值使电桥平衡被打破，转化为电流信号，该信号经过放大、稳定和处理，变为可靠的易读的数值显示出来。这类气体传感器响应快，受温度和湿度影响小，而且价格便宜，广泛用于检测氢气、甲烷以及部分有机溶剂蒸气。但是这类传感器只可检测可燃性气体，选择性也有待改善。

3 固体电解质气体传感器

固体电解质作为气体传感器时类似一种电池。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，广泛应用在石化、环保、矿业、食品等各个领域。

4 电化学式气体传感器

此类气体传感器有四种类型：电量式、原电池式、定电位电解式和离子电极式。定电位式传感器需要由外界施加特定电压，然后通过测量电解电流来检测气体的浓度，能检测CO、O2等多种气体。电量式气体传感器通过测量被测气体与电解质发生反应产生的电流来确定气体浓度的。离子电极式气体传感器通过测量离子极化电流来确定气体浓度。此类气体传感器检测气体的灵敏度高，选择性好，但需要经常标定，且使用寿命短。

5 光学式气体传感器

红外吸收型气体分析仪就是一种光学式气体传感器，该分析仪通过测量和分析不同气体吸收红外线所产生的不同红外吸收峰来确定气体种类及浓度。此类气体传感器灵敏度高、响应快、稳定性好、使用寿命长，但是价格偏高。

6 石英振子式气体传感器

此类气体传感器的核心是石英振子微秤（QCM），它由石英振动盘和两个电极构成，其中石英振动盘直径为数微米，盘上淀积了有机聚合物，吸附气体后的聚合物会使器件质量增加。给器件加上振荡信号，于是在其特征频率内发生共振，增加质量的器件会降低石英振子的共振频率，由此测定共振频率的变化就能识别气体种类及浓度。

7 声表面波(SAW)气体传感器

由于聚异丁烯等材料能吸附具有挥发性的有机化合物（VOC），吸附后使传感器件质量增加，声波在该材料表面传播时，其传播速度、振动频率就会发生相应的变化，由此可测量声波频率的变化来识别气体浓度。此类气体传感器灵敏度高、检测限低、体积小，可测量苯乙烯、甲苯等有机物的蒸汽，但只能在室温工作，且对气体的选择性是由敏感材料决定的。

[1]陈长伦等.电化学式气体传感器研究进展[J].传感器世界，2004(04):11-15.

[2]吴玉锋等.气体传感器研究进展与发展方向[J].计算机测量与控制，2003，11(10):731-734.