气体传感器基础知识汇总

气体传感器基本知识
传感器是对信息有感受的器件。

按照传感器感知的信息种类分类：传感器分为物理量（物理信息）传感器、化学量（化学信息）传感器、生物量（生物信息）传感器。

物理量传感器包括:力学量，光学量，热学量，电学量传感器。

即力、光、热、电。

力学量中常见:压力，加速度，位移；光学量中常见:可见光，红外，紫外。

热学量中常见:低温，中温，高温。

电学量中常见:电流，电压，电场，电磁等；
化学量传感器:成份、浓度。

生物量传感器:血压、血糖、血脂、心率等。

按照传感过程中信息和传感器的作用过程的属性分类：传感器可以分为物理类、化学类、生物类
气体传感器是测量气体成分和浓度的化学量传感器。

气体传感器按气体与传感器的作用方式分类:物理类，化学类、生物类。

物理类即传感作用过程是物理过程，即传感作用过程不导致气体化学性质发生变化。

化学类即传感作用过程是化学过程，即传感作用过程导致气体化学性质发生变化。

生物类即传感作用过程是生物过程，即传感作用过程通过生物活动导致气体化学性质发生变化。

常见的物理类气体传感器:热传导、红外吸收，表面声波，QCM 等；
化学类:半导体，催化，电化学等;
生物类在普通工业、家庭不太常用。

在常见的气体传感器PID严格讲是另类:为物理化学类。

即物理方法导致化学变化。

气体传感器门类众多，一下进介绍几种常见的不同工作原理的气体传感器
半导体气体传感器：
原理:在一定的温度条件下，被测气体到达半导体敏感材料表面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系，通过测量电阻的变化即可测得气体浓度。

单支半导体气体传感器通过选择性催化、物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。

大规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确识别。

半导体顾名思义是电导率介于绝缘体与导体之间的物质。

半导体气体传感器的敏感材料就这么一种物质。

常见的气体敏感材料分为表面控制型和体控制型。

表面控制即电阻由晶粒表面和晶粒晶界控制，体控制即电阻由晶粒尺寸和载流子浓度控制。

用于气体传感器的半导体材料除具有半导体的属性外还需要具备以下条件:a、易获得，b、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力；c、自身有良好催化特性；d、机械结构可调；e、电性能可调；f、烧结性能好；g、氧气和被测气体在室温或一定的温度条件下，在其表面有很好的化学反应能力、并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力；h、与其它
辅助材料成型后有较好的相融性、化学稳定性、并有适合的微缺陷等。

符合这种条件的常见材料二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。

这里最重要的概念与性能的对应关系:温度-功耗、漂移;吸附及化学反应-灵敏度、选择性、漂移、线性、初始稳定时间以及响应时间;脱附-恢复时间。

半导体传感器的优点：廉价、耐用、设计及制造过程简单。

半导体传感器的弱点:功耗大、漂移、线性差。

无论其优点还是弱点均与上述对应关系相关。

如漂移:传感器会吸附氧气，当氧气浓度变化时(如雨天，氧浓度变小)，吸附量会变化，零点必会漂啊漂。

总之半导体传感器的优缺点首先是由其工作原理决定的，是先天的。

后天的设计、制造可以改善，但不能消除。

红外气体传感器:
原理:由不同原子构成的分子会有独特的振动、转动频率，当其受到相同频率的红外线照射时,就会发生红外吸收，从而引起红外光强的变化，通过测量红外线强度的变化就可以测得气体浓度；需要说明的是振动、转动是两种不同的运动形态，这两种运动形态会对应不同的红外吸收峰，振动和转动本身也有多样性；因此一般情况下一种气体分子会有多个红外吸收峰；根据单一的红外吸收峰位置只能判定气体分子中有什么基团，精确判定气体种类需要看气体在中红外区所有的吸收峰位置即气体的红外吸收指纹。

但在已知环境条件下，根据单一红外吸收峰的位置可以大致判定气体的种类。

由于在零下273摄氏度即绝对零度以上的一切物质都会产生红外幅射，红外幅射与温度正相关，因此，同催化元件一样，为消除环境温度变化引起的红外
幅射的变化，红外气体传感器中会由一对红外探测器构成。

一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。

为什么红外气体传感器不能测量氧气、氢气、氮气等由相同原子构成的气体分子?
月亮和地球、地球和太阳靠万有引力连接，分子内部原子间靠化学键连接。

如果二者是理想球体而且没有其它万有引力干扰则地球轨道将是圆的，实际上上面两个条件都不成立，因此其轨道是椭圆的，也就是地球和太阳之间的距离不停地在短半径和长半径之间转换，即振动，只是振动周期长达一年，在这个过程中，地球处于短半径点和长半径点时，它和太阳之间的引力是不同的，即能量级别不同。

在分子内部原子间靠化学键连接，原子间的空间距离、角度、方向由于电子分布的不均衡而不停发生变化，即振动、转动，而且不同的分子会有独特的振动、转动频率,当遇到相同频率的红外线照射时会产生谐振、原子间距离和电子分布发生变化即偶极距发生变化，红外吸收就是这样产生的(紫外吸收同理)。

以上内容中包含红外吸收的两个基本条件:谐振、偶极距变化。

这两个条件同时满足才能产生红外吸收。

氧气、氢气、氮气等由同一种原子构成的分子为什么没有红外吸收峰:两个基本条件一是气体分子振动频率与照射的红外线频率相同，二是偶极距变化。

不难理解，第一个条件容易满足，第二个条件无可能性。

相同原子构成的分子正负电荷中心完全重叠，即偶极距为零，其结果是电子在分子中的分布是均衡的，以红外光本身的低能量
密度特征，其照射不会改变这种均衡，更不可能使分子电离，即不会导致能量变化。

而不同原子构成的分子:以水(蒸气)分子为例,分子中电子的分布偏向氧这端，即微观上水分子中氢那一端呈正电性,氧那一端呈负电性，正负电荷中心是不重叠的，即偶极矩不为零。

这是因为氧吸引电子的能力比氢强的缘故。

在与水分子振动、转动频率相同的红外线照射时，会使电子在水分子中的分布更偏向氧一端，导致氢和氧的平均距离变短，即偶极距变短，能量变高，即水分子受到红外照射时会从低能级跃迁到高能级，红外吸收就是这样产生的。

可以这样去简单理解:红外线与相同原子组成的分子相遇时，由于相同原子组成的分子是理想的弹性球体，两者的相互作用是完全弹性碰撞，只有能量交换，没有能量转移。

不同原子组成的分子与红外线相互作用则有能量转移。

因此，红外吸收原理不能测相同原子构成的分子。

红外吸收原理只能测不同原子构成的分子。

由于同一分子内部运动的多样性使其具多种不同的振动频率和转动频率，因此，对红外吸收的分子会有多个吸收峰；另外，具有相同化学键的分子(如水和酒精分子中的氢氧键)会有相近的吸收峰，干扰由此产生。

非色散红外吸收气体传感器:非色散:白光通过三棱镜会被分为七色光即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

这个三棱镜就是一个分光系统，能把7色光分开。

有分光系统的光学系统即色散型光学系统,无分光系统的光学系统即非色散性。

非色散系统简易、可靠、小巧、廉价。

平时我们感受到的白光、紫外、紅外光都是不同频率、波长混合成的光；而单频率、单波长的光即单色光。

前面讲到只有红外线的频
率和气体分子振动、转动频率相同时才会产生红外吸收，理论上在设计气体传感器时，我们希望用单色光去照射气体或者照射后我们用设置光栅(滤光片)的办法获得单色光。

非色散红外气体传感器通常由光源、光学腔体、滤光片(光栅)、探测器和信号调理电路构成，在传感器中滤光片和探测器是一体的。

红外气体传感器优点:1、除了相同原子組成的气体，所有气体都可以测。

2、全量程。

3、传感过程本身不会干扰传感。

缺点:1、昂贵。

红外气体传感器本质上是红外幅射导致探测器温度变化进而是电性能变化的温度传感器，传感过程复杂。

要求系统有如下特征:光源必须有稳定的红外幅射；光学腔体物理化学性质稳定；滤光片及红外探测器稳定。

这些问题，合理的工艺技术本身能较好的解决，但是制造成本高，导致价格昂贵。

2、在普通的以宽频红外光源加滤光片加探测器设计中，滤光片本身不能实现理想的选择性滤光，因此干扰尤其是水的干扰一直存在。

选择性的问题深层原因在于很多不同的气体分子会有相同的化学键，即有相近甚至重叠的红外吸收。

3、粉尘、背景幅射、强吸附及气、液、固易发生转换的检测对象都会对检测结果造成影响。

近红外:波长0.7um~2.0um；中红外:波长2.0um~15um。

气体吸收峰:每一种气体的吸收峰不止一个如:甲烷在近红外1.3um，1.65um；中红外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等处都有吸收峰。

激光光源:最接近单色光的光源。

我们大概容易想到，同一气体分子的振动、转动的多样性导致其有多个吸收峰；含有相同化学键的分子会有相近的吸收峰。

因此红外
传感器的技术发展路径很清楚:单色光源、集成化、微型化、低功耗。

目前最大的问题:近红外区只有个别波长有较廉价的激光器做单色光，而且在近红外区气体吸收较弱。

在气体对红外的强吸收区中红外区，激光器制造工艺复杂，激光材料、理论及器件未有商业价值突破，导致中红外激光器极昂贵。

这严重限制了红外气体传感器在复杂环境下的应用。

在常见的气体中目前二氧化碳是红外原理最强的应用,也是基于节能的最具商业前景的应用；其次是甲烷。

催化燃烧式气体传感器:
原理:一般由线径15um或20um或30um的高纯度铂线圈并在其外包裹载体催化剂形式球体，在一定的温度条件下，当可燃性气体与上述球体接触时会与其表面的吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，反应释放的热量导致铂线圈温度变化，温度变化又导致铂线圈电阻发生变化，测量电阻变化就可以测到气体浓度。

因此与其说催化元件是气体传感器不如说他是个温度传感器，为克服环境温度变化带来的干扰，催化元件会成对构成一支完整的元件，这一对中一个对气体有反应，另一个对气体无反应，而只对环境温度有反应，这样两支元件相互对冲就可以消除环境温度变化带来的干扰。

从温度传感器去理解催化元件会在开发、应用时引导我们不仅仅关注传感过程中化学反应本身，也会吸引我们去更多的关注传感过程与温度有关的温度场的分布与变化、温度场与传感器球体的位移关系、热传导与热幅射、及传质与热传导等。

实际上，决定催化元件性能的因素中，促使化学反应发生只是众多传感要素中不太重要的要素，和热传递相关的因素才是最核
心的。

和半导体元件不同，催化元件传感过程较为复杂，前者是气体与传感器接触后发生的化学反应直接导致传感器电阻即电信号的变化，后者则是气体在催化元件上发生的化学反应首先导致的结果是传感器载体表面及载体内部的温度变化，载体的温度变化经过热传递最终导致铂线圈电阻的变化，完成传感的全过程。

传感过程复杂，导致问题产生的几率就大一些。

1、对长分子链的有机物以及不饱和烃，对半导体来说，不完全反应导致的积炭只会对反应过程产生影响，而不会对电子传输产生大的影响，而对催化来讲，炭的存在不仅影响反应过程，更会对热传递产生剧烈影响，结果是反应产生的热量向传感器内部传递效率变低了，热量大都散失掉了，最终是，同样的气体浓度，释放同样的热，由于炭的存在，导致传感器:温度只有很小的变化，即灵敏度变得很低。

2、因为需要热传递，为了保证热效率，反应必须在瞬间完成，即要求有极高的反应效率，就需要有大量的纳米级的催化剂以及纳米级的孔，这样的特征有利于传感也有利于中毒。

3、催化元件的线性是由两个因素决定的a、温度传感材料pt线圈的电阻~温度特性是线性的。

b、爆炸下限以内反应放热和气体浓度是线性的。

因此，两个因素任一发生变化，就会导致传感器线性变化。

实际上，铂线圈会持续升华变细即导阻变大；反应释放的热量与浓度的线性关系只在气体浓度为爆炸下限以内时才成立。

催化元件的未来主要取决于工艺技术的进步:1、结构改进，解决的问题是震动引起的漂移。

2、过滤层改进，解决的问题是中毒。

3、开发新材料改善积碳。

4、制造过程对设计实现的保障如避免形变。

5、
MEMS化。

需要说明的是，器件结构、封装、制造工艺的改进不仅会改善元件的综合性能，也会引发新的应用。

和半导体相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面积下有更高的催化效率、热效率。

6、催化元件的应用定位会更精准专一。

7，催化元件不会被淘汰。

电化学传感器:电化学就是研究电学和化学行为之间关系的学科。

这个学科最重要的应用是电能与化学能之间的高效转换和大功率密度存储技术。

我们知道传感器表观上是信息种类、信息量的转换装置，如压力信息转换为电信息的压力传感器等。

本质上传感器是一种能量转换装置，如压力传感器就是把机械能转换为电能的装置。

因此，很容易理解，电化学气体传感器就是一个电池，叫气体燃料电池。

最常见的电池，把一堆可以导电的化学物质装起来，插入两个不同材料的电极，用导线连接就会有电产生。

以铅酸蓄电池为例，硫酸水溶液就是导电的化学物质，把铅放进其中，在铅和硫酸接触的地方(界面)会产生电，把氧化铅放进去，界面也会有电，两个界面电量有差异，即有电压，用导线连起来电子就会从铅流到氧化铅，铅就变成了氧化铅，氧化铅变成了氧化亚铅。

电量和化学量及反应过程相关联。

这里最重要的概念:一是把一个导体插入导电的化学物质中界面会产生电位，同一种物质中插入不同的导体产生不同的电位。

二是不同的电位相连接，在界面会发生反应。

三是导电回路由电池和外接导线两部分构成。

电池外部在连接导线内是电子，电池内是离子。

即导电过程由电子移动和离子移动共同完成。

为什么产品设计要追求极简?在铅、氧化铅、硫酸水溶液构成的铅酸蓄电池中，铅是产生并输送电子的一
极，氧化铅是获得电子的一极，两个电极在硫酸水溶液两端电极间产生电压。

如果用导线把两个电极连起来，电子就会从铅通过导线流到氧化铅，硫酸水溶液中氢离子从铅那一端通过硫酸水溶液流到氧化铅。

电化学CO气体传感器是一个化学电池即CO燃料电池。

其中: CO 是提供电子的一极(工作电极)，氧气是获得电子的一极，硫酸水溶液是电解质。

和铅酸蓄电池最大的不同是电极材料不同，电化学气体传感器(co)电极材料是气体，铅酸蓄电池是固体。

电化学气体传感器的电极叫气体电极。

电化学CO气体传感器中，工作电极CO作为供电子的一极，只有CO和硫酸水溶液触是无法进行的电子释放、收集和传导的。

其一CO完成提供电子的过程需要条件，即在电催化条件下降低CO提供电子的难度。

实践中这个条件由多孔铂电极（或其它电催化导电电极）提供。

其二，CO提供的电子需要导体收集后传导，也由多孔铂电极完成。

同理，作为对电极的氧气电极亦需要有多孔铂电极协助获得电子。

铂电极实际上是反应平台。

电化学传感器传感原理虽然简单，但是实现可靠精确的传感却很难:其一需要铂电极有稳定的多孔结构，孔的数量足够多，硫酸水溶液进到孔里，CO (或氧气)也能进到孔里，在气(CO)-固(pt)-液(硫酸水溶液中的水)共同接触的位置即三相界面完成电子提供。

因此,三相界面如何在硫酸长期浸泡、电化学反应冲击、电泳驱动下保持稳定，是可靠精确传感的核心。

其二，硫酸水溶液要稳定，不挥发，不吸水、不泄漏。

任何硫酸水溶液的质量变化都会导致传感器内部压力的变化,进而引起三相界面的变
化。

其三、由封装、材料物理特性决定的电极和硫酸水溶液接触应力要稳定不变。

目前电化学传感器的主要问题基本源于上述因素。

电化学传感器最核心的技术及工艺之一是如何构建孔的物理结构合理稳定可靠的电极，它和灵敏度、响应恢复、寿命、温度特性密切相关。

其二是封装。

电化学传感器存在的问题如干燥条件下的失水失活、高湿条件下的吸水漏液，长期接触被测气体导致的中毒失活，电极孔结构解体导致的失活。

体现在性能上是漏液、寿命短(相比其它原理)、体积大。

体现在制造上表现为设计、工艺复杂、制造成本昂贵。

这些问题其中多数与液态电解液有关;中毒则与电催化反应性质有关。

同样的，这些问题可以通过好的技术工艺路线去改善他，却不能消除。

需要注意的是:正确的技术工艺设计最终体现在产品上需要在和传感器场景应用互动过程中长时间(数年)的积累、修正、完善，才能实现该设计理论框架下的理想产品。

一个没有经历这个过程的技术，无论多先进，都难以立刻变成先进的产品。

关于这一点，中国的基础工业中航空发动机的发展历史和现状就是对科学与技术工艺关系最生动的注脚。

电化学传感器的未来：明确的方向是电解液室温固态化并以此为基础实现MEMS化。

实现固态化和MEMS化的电化学传感器不仅能够克服包括制造在内的大部分问题，而且可以激发新的应用，为企业带来新的增长。

此时的电化学传感器将是高度一体化的，易集成的、小巧的电子系统。

但是，这样的结果仍然不能克服高浓度或被测气体长期与传感器接触导致的传感器性能变化。

PID:即光离子化检测器。

原理简述:由紫外光源和气室构成。

紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。

被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。

特殊气体:物理形态多变、化学过程及反应生成物复杂多样。

包括无机气体如氨气。

有机气体如甲苯等。

前面介绍的各种气体传感器，对复杂气体的检测面临巨大挑战。

如:对有机蒸气的检测，红外吸收原理面临着很难克服的困难:a有机蒸气由于分子量大的缘故，特征吸收波长较长，红外吸收后能量变化小，通常灵敏度会很低。

b、长分子链的有机蒸气易吸附，会粘附在探测器上，破坏光传输。

c、不能实现对voc总量的检测。

红外系统若实现总量评价，则需要全光谱响应的滤光片、探测器和全光谱紅外光源，这样的要求不仅难实现，即使实现，在全光谱范围内，无机气体、水的干扰将顺理成章。

而化学传感器中半导体易被无机气体、温、湿度干扰，漂移，浓度分辩率低，虽然其检测范围宽、覆盖气体种类多，但仍仅适合在低端应用。

在这样的背景下，在工业现场voc检测时PlD是较好的选择。

相对其它传感器plD最大的特点是只对很少的无机气体，如氨气、磷化氢等敏感。

原因在于大部分的无机气体有很高的电离能(大于11.7ev)。

目前plD灯最高紫外幅射能量仅为11.7ev。

因此，在石油化工园区，PiD的响应可以认为是voc的响应。

PID工作原理祥述:1、在真空玻璃腔内充入高纯度稀有气体如氩
气、氪气。

2、用紫外透光片氟化镁单晶将玻璃腔体密封，在此氟化镁晶体对紫外光透明。

3、在玻璃腔外壁套上电极。

4、在氟化镁窗口加上电极和电场，做为被测气体气室，这就是一个完整的可电离VOC 的紫外灯。

工作时在玻璃腔外加上高频电场，紫外灯内的稀有气体被外加电场电离出电子和离子，电子和离子复合时紫外光的形式向外幅射能量。

紫外光穿过氟化镁窗口到达气室，气室内被测气体被紫外光电离产生电子和离子，电荷在电场作用下产生电流，就可以测到了。

我们大概不难想到，PlD稳定工作需要:1、PID必须幅射足够的能量才能电离被测气体；2、产生紫外光的高频电场必须是稳定的。

3、玻璃腔体内不能有杂质气体，杂质气体会导致附加电离，影响紫外发光效率。

4、紫外光谱是稳定、均匀的。

5、紫外光到达气室的传输是稳定、均匀并不与构成气室的金属电极材料相互作用而产生重金属沉积，重金属在紫外幅射窗口沉积会阻挡紫外到达气室。

这就要求:紫外灯充入的发光物质必须是气体才能均匀发光并传输。

腔体内不能有杂质气体，以防止附加电离等。

这些要求决定了发光气体的选择只能是稀有气体。

窗口材料则必须对紫外透明并具有稳定的理化性质，事实上紫外窗口材料的选择是极其有限的。

这些限至条件最终也决定了PID应用的局限性。

为什么目前的PID不能测丙烷、乙烷、甲烷和大部分无机物: PID 的本质是使被测物质电离后测电荷流，电离需要能量。

目前的PID紫外幅射能量最常见的是8.3ev、9.8ev、10.6ev。

而电离甲烷需要的能量为12.6ev，乙烷为11.56ev、丙烷为10.95ev、二氧化碳为13ev等。