所謂氣體傳感器，是一種可以檢查出目視不到的氣體存在的傳感裝置。在以家用天燃?xì)狻け闅怏w報(bào)警器為主的空調(diào)與空氣潔凈器、汽車等領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用。現(xiàn)在對(duì)4種氣體檢測原理進(jìn)行說明。
半導(dǎo)體式氣體傳感器
簡單的架構(gòu)
STEP1
在潔凈的空氣中，氧化錫表面吸附的氧會(huì)束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動(dòng)的狀態(tài)。
STEP2
在泄漏的氣體（還原性氣體）環(huán)境中，表面的氧與還原氣體反應(yīng)后消失，氧化錫中的電子重獲自由，受此影響，電子流動(dòng)通暢。
傳感器的檢測原理
當(dāng)氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時(shí)，氧氣捕捉粒子中的電子后，吸附于粒子表面。結(jié)果，在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由于氣體傳感器使用的氧化錫粒子一般都很小，因此在空氣中整個(gè)粒子都將進(jìn)入電子耗盡層的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達(dá)到耗盡層的狀態(tài)稱為域衰竭（regional depletion）。
使氧氣分壓從零（flat band開始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導(dǎo)分布的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）。在容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下，電子耗盡層的厚度變化結(jié)束，產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)換pkT，電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大，后退則pkT縮小。
■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導(dǎo)體粒子的耗盡狀態(tài)在推進(jìn)
能帶結(jié)構(gòu)
 | x:半徑方向的距離qV(x):勢壘a:離子半徑[O-]:吸附氧氣的濃度EC:傳導(dǎo)帶下端EF:費(fèi)米能級(jí)pkT:費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)換 |
傳導(dǎo)電子分布
| [e]:電子濃度Nd:施子密度 |
容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下球狀氧化錫粒子表面的電子濃度[e]S可用施子密度Nd、粒子半徑a以及德拜長度LD通過式子（1）表示。如果p增大則[e]S減少，p減少則[e]S增大。
[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)
由大小、施子密度相同的球狀氧化錫粒子組成的傳感器的電阻值R，可使用flat band時(shí)的電阻值R0，通過式子（2）表示。[e]S減少則將增大，[e]S增大則將縮小。
R/R0= Nd/[e]S ... (2)
使用了氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器，就是這樣通過氧化錫粒子表面的[O-]的變化來體現(xiàn)電阻值R的變化。
置于空氣中被加熱到數(shù)百度的氧化錫粒子，一旦暴露于一氧化碳這樣的還原性氣體中，其表面吸附的氧氣與氣體之間發(fā)生反應(yīng)后，使[O-]減少，結(jié)果是[e]S增大，R縮小。消除還原性氣體后，[O-]增大到暴露于氣體前的濃度，R也將恢復(fù)到暴露于氣體前的大小。使用氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器就是利用這個(gè)性能對(duì)氣體進(jìn)行檢測。
催化燃燒式氣體傳感器
催化燃燒式氣體傳感器由對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測片（D）和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償片（C）2個(gè)元件構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話，只有檢測片可以燃燒，因此檢測片溫度上升使檢測片的電阻增加。
相反，因?yàn)檠a(bǔ)償片不燃燒，其電阻不發(fā)生變化（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋回路（圖2），不存在可燃?xì)怏w的氛圍中，可以調(diào)整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。
然后，當(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時(shí)，只有檢測片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個(gè)變化表現(xiàn)為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關(guān)系，因此可以通過測定電壓而檢出氣體濃度。
■ (圖1)測定電路
■ (圖2)測試電路
■ (圖3)
短路電流式質(zhì)子導(dǎo)體CO傳感器的工作原理
圖1 CO的陽極氧化反應(yīng)和氧氣陰極還原反應(yīng)之
典型分極曲線圖
TGS5xxx系列是一種利用短路電流作為傳感器信號(hào)的質(zhì)子導(dǎo)體一氧化碳(CO)傳感器。
氣敏層的基本組成部分包括：工作電極、對(duì)電極以及貼合于它們之間的質(zhì)子導(dǎo)電膜。
當(dāng)傳感器置于潔凈的空氣中，工作電極與對(duì)電極之間沒有通過外部導(dǎo)線連接時(shí)，即在開路條件下，工作電極和對(duì)電極上分別發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(1)，使工作電極和對(duì)電極上都形成平衡電位(E1)
2H+ + 1/2O2 + 2e- ? H2O ...(1)
將傳感器置于CO與空氣的混合氣體中，處于開路條件時(shí)，在工作電極上，同時(shí)以相同的速度發(fā)生著CO的陽極氧化反應(yīng)(2)和氧氣的陰極還原反應(yīng)(3)，由此形成局部電池。
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e- ...(2)
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ...(3)
結(jié)果,工作電極的電位從E1變?yōu)榛旌想娢?EM)，正常情況下此時(shí)陽極電流i(2)和陰極電流i(3)的絕對(duì)值相等，處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖1)。到達(dá)工作電極的CO流入量受到擴(kuò)散控制系統(tǒng)的限制(例如,TGS5xxx系列傳感器中使用了不銹鋼氣體擴(kuò)散控制片)，得到與CO濃度呈線性正比關(guān)系的擴(kuò)散極限電流(圖1)。由于在對(duì)電極上只發(fā)生了式(1)反應(yīng) ，所以對(duì)電極的電位仍然是E1。因此，這樣的電位差型(混合電位型)傳感器的靈敏信號(hào)可以由EM - E1給出，EM - E1信號(hào)與空氣中CO濃度的對(duì)數(shù)呈比例關(guān)系。
當(dāng)空氣中存在CO時(shí)，通過外部導(dǎo)線將工作電極與對(duì)電極連接，形成短路狀態(tài)后，如圖1所示，兩個(gè)電極的電位轉(zhuǎn)變?yōu)榻橛贓1和EM之間的一個(gè)相同值(Esc)。
由于工作電極的電位朝著使式(3)反應(yīng)減速的方向變化，工作電極上消耗的質(zhì)子逐漸趨少。因此，多余的質(zhì)子將通過質(zhì)子導(dǎo)電膜從工作電極向?qū)﹄姌O轉(zhuǎn)移，并且這些多余的質(zhì)子數(shù)量與空氣中的CO濃度成正比，它們?cè)趯?duì)電極上被式(3)的反應(yīng)所消耗。這個(gè)過程就是等價(jià)電子作為短路電流(即傳感器輸出電流)通過外部導(dǎo)線從工作電極向?qū)﹄姌O的流動(dòng)，它也與CO濃度成直線性的比例關(guān)系(圖2)。
圖2 短路電流式質(zhì)子導(dǎo)體CO傳感器的感應(yīng)原理
將傳感器移回至潔凈空氣中時(shí)，工作電極上只發(fā)生式(1)反應(yīng)，由于兩個(gè)電極之間的電位差消失，外部導(dǎo)線中電流無法通過。因此，本傳感器對(duì)CO具有可逆的安培響應(yīng)。
這種短路電流式CO傳感器由于CO濃度與傳感器輸出電流之間呈線性關(guān)系，使其和傳感器響應(yīng)與空氣中CO濃度對(duì)數(shù)成正比關(guān)系的電位差式CO傳感器相比，可感應(yīng)濃度更為精確。只要通過使用已知CO濃度的氣體對(duì)輸出電流進(jìn)行校準(zhǔn)，本傳感器就可用于對(duì)CO濃度的定量檢測。
圖3 CO濃度與傳感器輸出電流的關(guān)系
通過外部電路的短路電流(傳感器輸出電流)與氣體濃度呈式(4)所示的比例關(guān)系(圖3)。
I = F × (A/σ) × D × C × n ...(4)
其中:
I: 傳感器輸出電流、F: 法拉第常數(shù)、
A: 質(zhì)子交換膜針孔面積、σ：質(zhì)子交換膜厚度、
D: 氣體擴(kuò)散系數(shù)、C: 氣體濃度、n: 反應(yīng)電子數(shù)
特點(diǎn)
與常規(guī)的干電池不同，傳感器內(nèi)部的固體液體活性材料或電極不會(huì)被消耗。這確保了本傳感器良好的長期穩(wěn)定性，并且可以長期免維護(hù)保養(yǎng)進(jìn)行使用。 而且，本傳感器不需要加熱就能自發(fā)輸出電流，是電池供電型一氧化碳探測器的理想選擇。
NDIR（非色散型紅外線）式氣體傳感器的工作原理
NDIR(non-dispersive infrared)式氣體傳感器是通過由入射紅外線引發(fā)對(duì)象氣體的分子振動(dòng)，利用其可吸收特定波長紅外線的現(xiàn)象來進(jìn)行氣體檢測的。紅外線的透射率（透射光強(qiáng)度與源自輻射源的放射光強(qiáng)度之比）取決于對(duì)象氣體的濃度。
傳感器由紅外線放射光源、感光素子、光學(xué)濾鏡以及收納它們的檢測匣體、信號(hào)處理電路構(gòu)成。在單光源雙波長型傳感器中，在2個(gè)感光素子的前部分別設(shè)置了具有不同的透過波長范圍閾值的光學(xué)濾鏡，通過比較可吸收檢測對(duì)象氣體波長范圍與不可吸收波長范圍的透射量，就可以換算為相應(yīng)的氣體濃度。因此，雙波長方式可實(shí)現(xiàn)長期而又穩(wěn)定的檢測。
檢測原理
用中波段紅外線照射氣體后，由于氣體分子的振動(dòng)數(shù)與紅外線的能級(jí)處于同一個(gè)光譜范疇，紅外線與分子的固有振動(dòng)數(shù)發(fā)生共振后，在分子振動(dòng)時(shí)被氣體分子所吸收。
氣體濃度與紅外線透射率的關(guān)系可通過下述朗伯-比爾定律進(jìn)行說明。對(duì)于NDIR式氣體傳感器來說，對(duì)象氣體的吸光度ε與光程d是不變的，在與成為對(duì)象的氣體吸收能（波長）一致的光譜范疇，通過測定紅外線的透射率T，即可得到對(duì)象氣體的濃度c。
來自放射源的入射光強(qiáng)度I0，是通過使用不吸收紅外線的零點(diǎn)氣體校準(zhǔn)后設(shè)定的。吸光度ε是利用已知濃度的對(duì)象氣體進(jìn)行校準(zhǔn)后進(jìn)行初始設(shè)定的。
特長
因?yàn)榧t外線是根據(jù)目標(biāo)氣體固有的紅外能量（波長）被吸收的，所以氣體選擇性非常高成為其最大的特長。即使在高濃度的對(duì)象氣體中長時(shí)間進(jìn)行暴露，也從原理上避免了靈敏度的不可逆變化。
