半导体与电化学气体传感器特性对比说明[1]

一氧化碳传感器气体传感器简述

一、电化学一氧化碳气体传感器

电化学一氧化碳气体传感器工作原理：

基于电化学原理开发的一氧化碳气体传感器是目前广范应用于各类工业现场、矿山、家居环境中防止一氧化碳中毒的一种毒性气体传感器。其工作过程遵循法拉第定律。可简单表述为利用一氧化碳气体在传感器中工作电极上的电化学氧化过程，氧气在对电极上的电化学还原过程。一氧化碳气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。这样，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。

该种传感器设计的理念最初主要基于预防工业、矿业等现场群体性一氧化碳中毒事件的发生，因此器件的精度和可靠性是其设计的最核心内容。工艺技术的不断成熟、制造成本的快速降低，使得在工业用一氧化碳传感器技术基础上衍生的用于家居环境中的一氧化碳传感器大规模应用变成现实，其具有的工业应用产品标准的品质使其几乎成了欧美发达国家居民家庭一氧化碳检测的唯一选择。

电化学一氧化碳气体传感器特性：

1.功耗低，能满足严格防爆要求。由於它是一只电池，响应时不消耗

能量，所附加的恒定电位较低，一般在几十毫伏至二百毫伏内，且

漏电流极小，约为零点几微安。因此这种传感器用一节五号电池便

可连续工作数百小时。再则这种传感器在室温中工作，对CO等易燃

易爆气体使用较安全。它可在地面恶劣环境中使用，也可在地下坑

道中使用，能够满足严格的防爆要求。

2.有较好的抗干扰性能。由於由不同气体的电极和电解液组成、配方

均不同，它们的电极电位不同，反应电流的最佳电极电位也不相同，因此具有较好的抗干扰性能。如在实验中测定CO气体传感器的响应电流时，测量不受甲烷、汽油气、NO、NO2、SO2等气体的干扰。

3.有稳定的较高的输出性能。由于工作电极是在恒定电位下工作，被

测气体能产生稳定的电化学反应，因而保证了这种气体传感器有优良的稳定输出性能。只要加在参比电极上的电压不变，它的输出响应就不会发生突变。因此这种传感器的测量精度较高，可达到

0.5×10－6。

4.响应时间较快，20秒内可达90％。无需取样，在不增加气泵的情况

下，只要被测气体对准传感器的窗口，通过气体扩散进入扩散电极便会迅速产生响应。

5.有较好的线性特性与温度性能。从工作原理已知，在恒电位条件下，

当传感器的结构和电解液一定时，气体扩散电极一定，此时，反应电流I就只与气体浓度C成正比，I=KC，因此这类传感器必然有较好的线性特性。

6.由于所用电解液浓度高时吸收环境中的水蒸气，而浓度低时电解液

中的水分较易挥发，其电解液浓度会自动平衡，电导率变化较小，从而传感器灵敏度受环境变化的影响较小。

二、金属氧化物半导体一氧化碳传感器

金属氧化物半导体一氧化碳传感器工作原理：

基于半导体原理开发的一氧化碳气体传感器，常见的有旁热式元件和自加热元件（也叫常温元件）由于其工作原理简单、易于制造、使用方便、价格低廉等特点曾引起业界的广泛关注。其原理可简单表述为金属氧化物

半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。

在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到一氧化碳气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。从而实现对一氧化碳的检测。

该类一氧化碳传感器由于其固有的精度、尤其是可靠性差与一氧化碳的检测要求严重背离，这也是制约其大规模应用的致命因素。

半导体气体传感器特性：

1.半导体气体传感器的响应速度和恢复速度与传感器材料种类及所测

气体的种类相关，相应通常在10s，回复时间约30s。

2.在一定加热条件下使用，电功率通常在几百毫瓦。

3.半导体传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附、反

应与脱附。环境温度的变化会改变化学反应速度，从而影响传感器的敏感特性。此外，水蒸气会吸附在传感器表面，湿度将会引起Rs 的降低。精确使用半导体气体传感器时应考虑温、湿度的影响。三、半固态电解质电化学一氧化碳气体传感器

半固态电解质电化学一氧化碳传感器工作原理：

半固态电解质电化学一氧化碳传感器工作原理与电化学一氧化碳传感

器完全相同。使用的全液态酸性电解质一直是业内致力解决的主要问题，全氟离子磺酸膜的研制成功，为人们解决这一问题带来了希望。但由于全氟离子磺酸膜必须在有稳定的水汽环境条件下才能稳定工作，而且其保水性能极差这一前提，使得人们将利用全氟离子磺酸膜设计的一氧化碳传感器额外附加了一个储水池从而与人们的设计初衷完全背离，电化学传感器存在的漏液现象其并不能真正的解决。水极易逃逸的特性导致该类传感器与电化学一氧化碳传感器性能相差甚远，因此尽管其极其廉价，其应用仍然受到了极大限制。尤其是在工业、矿业现场的应用仍是空白。

半固态电解质电化学一氧化碳传感器特性：

半固态电化学一氧化碳传感器在选择性、低功耗、线性输出方面和通常的电化学一氧化碳传感器的性能相差不大，但由于全氟离子交换膜固有的特性，其不足之处主要是：

1.固体电解质气体传感器绝大部分采用全氟离子交换膜，电解质内部无

流动状态的水，依靠吸附周围环境的水蒸气解离全氟离子交换膜上的质子进行质子导电，其电导率低，易受环境湿度的影响因而精度较低。

因而其不能满足工业场合检测毒性气体时对精度的要求。

2.由于固体电解质的电导率较低，固体电解质气体传感器的灵敏度相对

较低。

3.低温（0℃左右）固体电解质的电导率急剧下降，其灵敏度大幅降低，

极有可能引起漏气不警报的后果。另外在低温时传感器储水池内的水有可能结冰，造成传感器性能的严重劣化甚至胀破传感器外壳。

4.固体电解质在高温低湿（40℃，30%RH）时严重失水，电导率也会大

幅下降引起灵敏度降低，并且再次回到正常环境中吸收水蒸气达到重