什么是气体传感器？
气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在检测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将一定的气体体积分数转换成相应的电信号的转换器。探头利用气体传感器对气体样品进行调节，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或冷冻处理、样品泵，甚至对样品进行化学处理，使化学传感器能够进行更快的测量。
气体传感器的特性通常，气体传感器具有以下特性：
1.稳定性
稳定性是指气体传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零漂移和区间漂移。零漂是指在没有气体的情况下，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指放置在气体中的传感器输出响应的变化，表现为工作时间内传感器输出信号的减小。理想情况下，传感器的年零漂移在连续工作条件下小于10%。
2.灵敏度
灵敏度是指气体传感器的输出变化与被测输入变化的比值，主要取决于传感器结构所采用的技术。大多数气体传感器是使用生物化学、电化学、物理和光学设计的。气体传感器的灵敏技术必须具有足够的灵敏度以检测阈限值（TLV）或爆炸下限（LEL）。
.选择性
选择性也称为交叉敏感性。可以通过测量一定浓度的干扰气体引起的传感器响应来确定。该响应相当于对一定浓度的气体产生的传感器响应。这一特性在跟踪多种气体的应用中非常重要，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，而理想的气体传感器通常具有高灵敏度和高选择性。
4.耐腐蚀
耐腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数气体的能力。当大量气体泄漏时，探头应能承受10～20倍气体体积分数。当恢复到正常工作条件时，传感器漂移和零位校正值应尽可能小。
气体传感器的四大基本特性主要由材料的选择决定。选择合适的材料并开发新材料以优化气体传感器的灵敏度。
气体传感器的种类气体种类繁多，性质各异，因此气体传感器的种类也很多。
让我们看看几种典型的气体传感器：
1.半导体气体传感器半导体气体传感器可分为电阻式和非电阻式（结型、MOSFET型、电容型）。电阻式气体传感器的原理是气体分子引起敏感材料的电阻变化；非电阻式气体传感器主要包括M(s)二极管、结型二极管和场效应晶体管(MOSFET)，它利用敏感气体会改变MOSFET导通电压的原理，原理结构与ISFET相同（离子敏感场效应晶体管）。
(1)电阻式半导体气体传感器
1）工作原理
已发现SnO2、ZnO、Fe2O、Cr2O、MgO、NiO2等材料具有气敏效应。由这些金属氧化物制成的气敏薄膜就是阻抗器件。气体分子与感光膜发生离子交换，发生还原反应，感光膜电阻发生变化。作为传感器，这种反应必须是可逆的，因此必须发生氧化反应以消除气体分子。传感器中的加热器有助于氧化反应的进行。
SnO2薄膜气敏器件具有稳定性好、工作温度低、检测气体种类多、工艺成熟等优点，是目前的主流产品。此外，Fe2O是目前广泛使用和研究的材料。
除传统的SnO、SnO2和Fe2O外，还开发了多种新材料，包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料和混合金属氧化物材料。这些新材料的研发大大拓宽了气体传感器的应用范围。
2）结构
SnO2电阻式气体传感器通常采用烧结工艺。它采用多孔SnO2陶瓷为基材，然后加入几种不同的物质，通过陶瓷工艺烧结而成，烧结时嵌入加热电阻丝和测量电极。
此外，还有采用蒸镀、溅射等工艺制成的薄膜器件和多层膜器件，灵敏度高，动态特性好。还有通过丝网印刷制成的厚膜器件和混膜器件。这些装置具有集成度高、组装容易、使用方便、可批量生产等优点。
下图是电阻式气体传感器的典型结构，主要由SnO2敏感元件、加热器、电极、底座、不锈钢网罩组成。该传感器结构简单，使用方便，可检测还原性气体、可燃气体、蒸汽等。
图2.电阻式气体传感器的典型结构
）主要特性参数
固有电阻R0和工作电阻Rs
固有电阻Ro也称为常态电阻，是指气体传感器在正常空气条件下的电阻值。工作电阻Rs表示气体传感器在一定浓度气体中的电阻值。
●灵敏度S
通常用S=Rs/R0表示，有时也用传感器在两种不同浓度气体C1和C2中的阻值之比表示：S=Rs(C2)/R0(C1)。
●响应时间T1
它反映了传感器的动态特性，即传感器电阻从接触一定浓度气体的那一刻起达到稳定值所需的时间。通常也表示为该浓度下电阻值变化率达到6%时的时间。
●恢复时间T2
又称为脱附时间，反映了传感器的动态特性。是指传感器离开检测气体到传感器电阻值恢复到正常空气条件下的值的时间。
●加热电阻RH和加热功率PH
RH为传感器提供工作温度下电热丝的电阻值，PH为维持正常工作温度所需的加热功率。
电阻式气体传感器具有成本低、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感度低、电路简单等优点。但必须在高温下工作，气体选择性差，元件参数分散，稳定性不理想，功率要求高。而且检测气体中混有硫化物时，很容易中毒。
(2)非电阻式半导体气体传感器
非电阻式也是比较常见的一种半导体气体传感器。这种类型的设备易于使用和集成，不需要设置工作温度。主要有结型和MOSFET型两种。
1)结气传感器
结型气体传感器也称为气敏二极管。这类气敏器件利用气体改变二极管的整流特性。其结构如下图所示。其原理是：贵金属Pd对氢有选择性，与半导体接触时形成接触势垒。
图.结气体传感器的结构
当二极管正向偏置时，从半导体流向金属的电子会增加，因此正向导通。负偏压时，载流子基本不变，这就是肖特基二极管的整流特性。
当我们探测大气时，由于氢的吸附，贵金属的功函数发生变化，接触势垒减弱，载流子增加。结果，正向电流增加，二极管的整流特性曲线将向左移动。下图是Pd-TiO2气敏二极管在不同H2浓度空气中的特性曲线。因此，我们可以通过测量二极管的正向电流来检测氢浓度。
图4Pd-TiO2气敏二极管在不同H2浓度下的特性曲线
2)MOSFET气体传感器
气敏二极管特性曲线的左移可视为二极管导通电压的变化。如果这种特性出现在场效应管的栅极，场效应管的阈值电压UT就会发生变化。基于这个原理，可以制作MOSFET气体传感器。
氢敏MOSFET是最典型的气敏器件之一。它由带有金属钯(Pd)的钯栅极制成。在含氢的气氛中，由于钯的催化作用，氢分子分解成氢原子扩散到钯和二氧化硅的界面，最终引起MOSFET的阈值电压UT发生变化。栅极-漏极在使用时经常短路，以保证MOSFET工作在饱和区。此时漏极电流ID=β(UGS-UT)2。使用这个电路，可以测量氢气的浓度。
氢敏MOSFET的特点是：
●灵敏度
当氢浓度较低时，氢敏MOSFET的灵敏度很高。当氢气浓度变化1ppm时，△UT值可达10mV。当氢气浓度高时，传感器的灵敏度会降低。
●对气体的选择性
钯原子之间的“缝隙”恰好允许氢原子通过。因此，钯栅只允许氢气通过，选择性好。
●响应时间
该设备的响应时间受温度和氢气浓度的影响。一般温度越高，氢气浓度越高，反应越快。常温下响应时间为几十秒。
●稳定性
在实际应用中，UT会随时间漂移。因此，我们可以在HCl气氛中生长SiO2绝缘层以改善UT漂移。
2.固体电解质气体传感器固体电解质是具有与电解质水溶液相同的离子电导率特性的固体物质，用作气体传感器时就是电池。它不需要气体通过透气膜溶解在电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。该传感器由于具有高电导率、良好的灵敏度和选择性，已广泛应用于石化、环保、矿业、食品等领域。
只有同一种电解质在高温下才具有明显的导电性。氧化锆（ZrO2）是一种典型的气体传感器材料。纯氧化锆在室温下具有单斜晶系结构。当温度升高到℃左右时，会发生同素异形体转变，单斜结构转变为多晶结构，并伴有体积收缩和吸热反应。因此，它是一个不稳定的结构。
因此，ZrO2掺杂了碱土CaO或稀土Y2O等稳定剂，使其成为稳定的萤石立方晶体。稳定程度与稳定剂的浓度有关。ZrO2加入稳定剂后，在1,°C的气氛中烧结。部分锆离子会被钙离子置换生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是二价正离子，Zr4+是四价正离子，为保持电中性，晶体中会产生氧离子O2-空穴。这就是（ZrO·CaO）在高温下转移氧离子的原因。因此，(ZrO·CaO)在00～℃成为氧离子的导体。
但要真正能够传递氧离子，固体电解质的两边应该有不同的氧分压（氧电位差）才能形成浓浓电池。其结构如图所示，两侧为多孔贵金属电极，中间为致密ZrO·CaO材料构成的夹层结构。
图5.固体电解质气体传感器的结构
设电极两侧的氧分压分别为PO2(1)和PO2(2)，两个电极发生如下反应：
(+)极：PO2(2),2O2-→O2+4e
(-)极：PO1(1),O2+4e→2O2-
上述反应的电动势用能斯特方程表示：
可见，在一定温度下，PO2(1)是固定的，利用上式可求出(+)极待测氧气浓度。
固定PO2(1)实际上是(-)电极上的固定电位电极，即参比电极。有气体参比电极和共存相参比电极。气体参比电极可以是空气或其他混合气体，如H2-H2O、CO-CO2也可以形成固定的PO2(1)。共存相参比电极是指金属-金属氧化物和低价金属氧化物-高价金属氧化物的混合粉末（固相）。这些混合物与氧气（气相）混合产生氧化反应并形成相同的氧气压力。
除测量氧气外，固体电解质传感器如β-Al2O、碳酸盐、NASICON气体传感器等也可用于测量CO、SO2、NH4等气体。近年来还出现了可在低温下使用的气体传感器，如锑酸和LaF气体传感器，可用于检测正离子。
.红外气体传感器(一)工作原理
由不同原子组成的分子具有独特的振动和旋转频率。当它们被相同频率的红外线照射时，会发生红外线吸收，从而引起红外光强度的变化。可以通过测量红外强度的变化来测量气体浓度。
需要说明的是，振动和旋转是两种不同的运动形式，这两种运动形式会对应不同的红外吸收峰。此外，振动和旋转本身也具有多样性，因此，一般情况下，一个气体分子会有多个红外吸收峰。根据单个红外吸收峰的位置，我们只能确定气体分子中有哪些基团。准确判定气体类型取决于气体在中红外区的吸收峰位置，即气体的红外吸收指纹图谱。
但是，当环境条件已知时，可以根据单个红外吸收峰的位置粗略判断气体的种类。由于绝对零以上的所有物质都会产生与温度正相关的红外辐射，因此，像催化元素一样，为了消除环境温度变化引起的红外辐射变化，红外气体传感器将由一对红外探测器组成.
一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔、红外探测器和信号调理电路组成。
图7.红外吸收的基本结构
(2)优势与Disadvantages
1）优势：
●除由相同原子组成的气体外，所有气体均可测量。
●品种齐全。
●感应过程本身不会干扰感应。
2）缺点：
●昂贵。红外气体传感器本质上是温度传感器，它通过红外辐射改变探测器的温度，进而改变电气特性。传感过程复杂。要求系统具有以下特点：
光源必须具有稳定的红外辐射；
光腔理化性能稳定；
滤光片和红外探测器稳定。
这些问题可以通过合理的工艺技术解决，但制造成本高，导致价格高。
●宽带红外光源与滤光片和探测器的共同设计中，滤光片本身无法实现理想的选择性过滤，因此干扰，尤其是水干扰一直存在。选择性问题更深层次的原因是许多不同的气体分子会具有相同的化学键，因此会出现相似甚至重叠的红外吸收。
●灰尘、背景辐射、强吸附、易转化的气体、液体、固体等检测对象，都可能影响检测结果。
4.催化燃烧气体传感器通常，直径为15um、20um或0um的高纯度铂金线圈以球体形式包裹有负载型催化剂。在一定温度下，当可燃气体与球体接触时，气体与球体表面吸附的氧发生反应，产生剧烈的无焰燃烧反应。反应放出的热量使铂线圈的温度发生变化，从而导致电阻发生变化。可以通过测量气体浓度来测量电阻。
图8.催化燃烧气体传感器的结构
因此，与其说催化元件是气体传感器，不如说它是温度传感器。为了克服环境温度变化带来的干扰，催化元件会成对组成一个完整的元件。一对对气体起反应，另一对只对环境温度起反应，使两种成分相互碰撞，消除环境温度变化引起的干扰。
与半导体元件不同，催化元件的传感过程更为复杂。前者是气体接触传感器后发生的化学反应，直接引起传感器电阻或电信号的变化。后者是发生在催化元件上的化学反应，导致传感器载体表面和载体内部的温度变化。载体的温度变化最终通过传热导致铂线圈电阻发生变化，完成整个传感过程。