氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)將(jiang)某(mou)種(zhong)氣(qi)體(ti)體(ti)積(ji)分(fen)數(shu)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)對(dui)應(ying)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。探(tan)測(ce)頭(tou)通(tong)過(guo)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)氣(qi)體(ti)樣(yang)品(pin)進(jin)行(xing)調(tiao)理(li)，通(tong)常(chang)包(bao)括(kuo)濾(lv)除(chu)雜(za)質(zhi)和(he)幹(gan)擾(rao)氣(qi)體(ti)
、幹燥或製冷處理儀表顯示部分。氣體傳感器在以家用天燃氣·丙烷氣體報警器為主的空調與空氣潔淨器、汽車等領域廣泛得到應用。現在工采網小編對Figaro最擅長的3種氣體檢測原理進行說明。

 

半導體氣體傳感器簡單的架構

 

 

STEP1

 

在潔淨的空氣中

，氧化錫表麵吸附的氧會束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動的狀態。

 

STEP2

 

在泄漏的氣體（還原性氣體）環境中
，表麵的氧與還原氣體反應後消失，氧化錫中的電子重獲自由
，受此影響，電子流動通暢。

 

半導體氣體傳感器的檢測原理

 

當(dang)氧(yang)化(hua)錫(xi)粒(li)子(zi)在(zai)數(shu)百(bai)度(du)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)暴(bao)露(lu)在(zai)氧(yang)氣(qi)中(zhong)時(shi)，氧(yang)氣(qi)捕(bu)捉(zhuo)粒(li)子(zi)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)後(hou)，吸(xi)附(fu)於(yu)粒(li)子(zi)表(biao)麵(mian)。結(jie)果(guo)
，在(zai)氧(yang)化(hua)錫(xi)粒(li)子(zi)中(zhong)形(xing)成(cheng)電(dian)子(zi)耗(hao)盡(jin)層(ceng)。由(you)於(yu)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)使(shi)用(yong)的(de)氧(yang)化(hua)錫(xi)粒(li)子(zi)一(yi)般(ban)都(dou)很(hen)小(xiao)
，因(yin)此(ci)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)整(zheng)個(ge)粒(li)子(zi)都(dou)將(jiang)進(jin)入(ru)電(dian)子(zi)耗(hao)盡(jin)層(ceng)的(de)狀(zhuang)態(tai)。這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)稱(cheng)為(wei)容(rong)衰(shuai)竭(jie)（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達到耗盡層的狀態稱為域衰竭（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，能帶結構與電子傳導分布的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）。在容衰竭（volume depletion）狀態下，電子耗盡層的厚度變化結束，產生費米能級轉換pkT，電子耗盡狀態往前推進則pkT增大
，後退則pkT縮小。

 

■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導體粒子的耗盡狀態在推進能帶結構

 

 

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:傳導帶下端EF:費米能級pkT:費米能級轉換

 

傳導電子分布

 

 

[e]:電子濃度Nd:施子密度

 

容衰竭（volume depletion）狀態下球狀氧化錫粒子表麵的電子濃度[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體式氣體傳感器，就是這樣通過氧化錫粒子表麵的[O-]的變化來體現電阻值R的變化。

 

置於空氣中被加熱到數百度的氧化錫粒子
，一旦暴露於一氧化碳這樣的還原性氣體中，其表麵吸附的氧氣與氣體之間發生反應後，使[O-]減少，結果是[e]S增大
，R縮小。消除還原性氣體後，[O-]增大到暴露於氣體前的濃度
，R也將恢複到暴露於氣體前的大小。使用氧化錫的半導體式氣體傳感器就是利用這個性能對氣體進行檢測。

 

參考文獻：Noboru Yamazoe, Kengo Shimanoe, Basic approach to the transducer function of oxide semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B 160 (2011) 1352-1362催化燃燒式氣體傳感器檢測原理

 

催化燃燒式氣體傳感器由對可燃氣體進行反應的檢測片（D）和不與可燃氣體進行反應的補償片（C）2個(ge)元(yuan)件(jian)構(gou)成(cheng)。如(ru)果(guo)存(cun)在(zai)可(ke)燃(ran)氣(qi)體(ti)的(de)話(hua)，隻(zhi)有(you)檢(jian)測(ce)片(pian)可(ke)以(yi)燃(ran)燒(shao)，因(yin)此(ci)檢(jian)測(ce)片(pian)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)使(shi)檢(jian)測(ce)片(pian)的(de)電(dian)阻(zu)增(zeng)加(jia)。相(xiang)反(fan)，因(yin)為(wei)補(bu)償(chang)片(pian)不(bu)燃(ran)燒(shao)，其(qi)電(dian)阻(zu)不(bu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋回路（圖2），不存在可燃氣體的氛圍中，可以調整可變電阻（VR）讓(rang)電(dian)橋(qiao)回(hui)路(lu)處(chu)於(yu)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)。然(ran)後(hou)，當(dang)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)暴(bao)露(lu)於(yu)可(ke)燃(ran)氣(qi)體(ti)中(zhong)時(shi)，隻(zhi)有(you)檢(jian)測(ce)片(pian)的(de)電(dian)阻(zu)上(shang)升(sheng)，因(yin)此(ci)電(dian)橋(qiao)回(hui)路(lu)的(de)平(ping)衡(heng)被(bei)打(da)破(po)，這(zhe)個(ge)變(bian)化(hua)表(biao)現(xian)為(wei)不(bu)均(jun)衡(heng)電(dian)壓(ya)（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所示的比例關係，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)

 

 

電化學氣體傳感器：傳感器元件構成與電極反應式

 

 

傳感器由來自貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導體構成。當CO等檢測對象氣體存在時
，在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發生（1）式所示的反應。

 

CO + H2O → CO2＋ 2H+ + 2e- …（1）

 

檢測極與對極接通電流（短路）後，檢測極產生的質子(H+)與同時產生的電子（e-）分別通過離子傳導體與外部電線（引線）各自到達對極，在對極上與空氣中的氧之間發生（2）式所示的反應。

 

（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）

 

也就是說此傳感器構成了由（1）（2）反應式形成的（3）反應式的全電池反應
，可以認為是將氣體作為活性物質的電池。

 

CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）

 

當做氣體傳感器使用時，接通檢測極與對極的電流
，來測定其短路電流。

 

CO濃度檢測原理公式

 

 

對流過外部電路的短路電流與氣體濃度的關係
，通過傳感器進行適當的擴散控製（控製氣體的流入量）
，呈現出式子（4）這樣的比例關係（右圖）。

 

I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）

 

這裏 I：短路電流；A：擴散孔麵積
；σ：擴散層長度；D：氣體擴散係數

；C：氣體濃度；ｎ：反應的電子數量

 

特長

 

反應式（1）所示的氧化電位由於比氧化電極電位的基準值（2H+ + 2e- ? H2)要低（擁有較低電位），因此此反應不需要消耗來自外部的電壓

、溫度等其他能量
，可以有選擇地進行
，與別的檢測方式相比在幹擾性
、重複性、節電方麵要優越得多。

 

氣體傳感器使用要求與注意事項

 

使用時請務必閱讀Figaro公司的產品技術資料
，對產品規格與使用條件進行確認。

 

設計時要注意避免當電路上其他電子部件發生短路、開路等異常狀況時給氣體傳感器帶來超過額定值的電壓、電流與溫度。

 

設計時要注意避免因氣體傳感器的故障而影響到其他的部件，直接或間接導致使用了氣體傳感器的機器產生誤動作、冒煙、起火或其他不穩定的狀態
，使機器的安全性受損。

 

如有必要，敬請考慮采取設置類似於保護電路這樣的故障保護安全措施。

 

關於使用安全注意事項

 

關於使用電壓

 

如(ru)果(guo)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)施(shi)加(jia)了(le)超(chao)過(guo)額(e)定(ding)值(zhi)的(de)電(dian)壓(ya)，即(ji)使(shi)未(wei)出(chu)現(xian)斷(duan)線(xian)與(yu)物(wu)理(li)性(xing)損(sun)傷(shang)的(de)情(qing)況(kuang)，也(ye)有(you)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)特(te)性(xing)受(shou)到(dao)影(ying)響(xiang)的(de)情(qing)況(kuang)。氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)旦(dan)有(you)過(guo)過(guo)電(dian)壓(ya)經(jing)曆(li)，請(qing)不(bu)要(yao)使(shi)用(yong)。

 

關於使用溫度

 

請不要在超過額定溫度的高溫下使用氣體傳感器。在超過額定溫度的高溫環境下電極膜會劣化，傳感器的特性很有可能會受到影響。

 

關於使用環境

 

氣體傳感器如果受到堿金屬的汙染
，氣體傳感器的特性有可能受到顯著影響。尤其要避開鹽水噴霧。

 

如果暴露於氨氣等堿性高濃度氣體中

，氣體傳感器的特性很有可能受到影響，因此要避免出現這樣的情況。

 

要避免在有可能使用了矽粘結劑與含有矽的發膠、矽橡膠
、矽膩子的場所使用或保管氣體傳感器。從含矽的產品蒸發出來的矽蒸汽有可能引起傳感器內部氣體流入通道的堵塞。

 

氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)內(nei)部(bu)與(yu)表(biao)麵(mian)如(ru)果(guo)持(chi)續(xu)長(chang)時(shi)間(jian)大(da)量(liang)結(jie)露(lu)的(de)話(hua)
，可(ke)能(neng)會(hui)引(yin)起(qi)氣(qi)體(ti)流(liu)入(ru)通(tong)道(dao)的(de)堵(du)塞(sai)與(yu)氣(qi)體(ti)敏(min)感(gan)膜(mo)的(de)劣(lie)化(hua)情(qing)況(kuang)發(fa)生(sheng)。正(zheng)常(chang)的(de)室(shi)內(nei)環(huan)境(jing)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)輕(qing)微(wei)結(jie)露(lu)對(dui)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)重(zhong)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。

 

如果氣體傳感器暴露於硫化氫與硫酸係氣體環境時，有可能出現內部的氣體擴散膜與蓋帽、或本體受到腐蝕
，氣體傳感器受損的情況。

 

氣體傳感器如果暴露於酒精類


、丙酮
、揮發油等產生的有機物蒸汽中，氣體敏感部吸附有機物蒸汽，可能會發生傳感器特性短時間變化的情況。

 

氣qi體ti傳chuan感gan器qi如ru果guo暴bao露lu於yu極ji度du的de粉fen塵chen與yu油you性xing氣qi霧wu中zhong，有you可ke能neng在zai氣qi體ti傳chuan感gan器qi內nei部bu發fa生sheng孔kong眼yan堵du塞sai的de情qing況kuang。如ru果guo可ke以yi預yu知zhi是shi這zhe樣yang的de使shi用yong環huan境jing，建jian議yi在zai氣qi體ti傳chuan感gan器qi的de上shang部bu加jia裝zhuang外wai接jie過guo濾lv器qi。

 

當(dang)在(zai)低(di)溫(wen)環(huan)境(jing)中(zhong)發(fa)生(sheng)快(kuai)速(su)凍(dong)結(jie)的(de)情(qing)況(kuang)時(shi)，氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)內(nei)部(bu)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)漏(lou)水(shui)對(dui)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)特(te)性(xing)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)。尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)把(ba)蓋(gai)帽(mao)朝(chao)下(xia)設(she)置(zhi)於(yu)機(ji)器(qi)中(zhong)的(de)時(shi)候(hou)，很(hen)容(rong)易(yi)發(fa)生(sheng)這(zhe)樣(yang)的(de)情(qing)況(kuang)。

 

如何處理

 

請不要將傳感器浸入水中、或將水灑到傳感器上
，否則有可能對傳感器的特性造成影響。

 

如果讓氣體傳感器受到強烈震動或撞擊，其內部可能會發生斷線或短路等情況。

 

請不要隨意分解氣體傳感器，也不要使本體與蓋帽部位發生變形。

 

關於保管方法

 

如果將氣體傳感器放置在密封袋這樣密閉性很強的容器內保管的話，因周圍溫度的變化氣體傳感器內部可能出現結露的情況。

 

設計應用機器時的注意事項

 

出chu現xian零ling度du以yi下xia的de低di溫wen時shi水shui槽cao裏li的de水shui有you可ke能neng結jie冰bing凍dong結jie，一yi般ban情qing況kuang下xia結jie冰bing不bu會hui對dui氣qi體ti傳chuan感gan器qi的de特te性xing產chan生sheng影ying響xiang
，但dan水shui結jie冰bing後hou體ti積ji增zeng大da有you可ke能neng使shi氣qi體ti傳chuan感gan器qi胴dong體ti發fa生sheng變bian形xing的de情qing況kuang出chu現xian。設she計ji機ji器qi時shi要yao注zhu意yi防fang止zhi氣qi體ti傳chuan感gan器qi因yin結jie冰bing變bian形xing後hou與yu配pei置zhi在zai周zhou圍wei的de其qi它ta電dian子zi產chan品pin和he電dian路lu基ji板ban發fa生sheng接jie觸chu。

 

安裝時的注意事項

 

用yong焊han錫xi將jiang傳chuan感gan器qi焊han接jie到dao電dian路lu基ji板ban時shi，如ru果guo使shi用yong焊han錫xi槽cao，焊han錫xi產chan生sheng的de高gao濃nong度du助zhu焊han劑ji蒸zheng汽qi有you可ke能neng對dui傳chuan感gan器qi特te性xing產chan生sheng影ying響xiang。我wo們men建jian議yi手shou焊han操cao作zuo。考kao慮lv使shi用yong焊han錫xi槽cao的de話hua
，請qing在zai量liang產chan前qian用yong試shi驗yan組zu預yu先xian對dui傳chuan感gan器qi特te性xing可ke能neng產chan生sheng的de影ying響xiang進jin行xing確que認ren。

 

為提高對濕度的耐受性
、對氣體的耐受性而用樹脂塗膜時，樹脂所含的化學成分溶劑可能會引起特性下降的情況發生。

 

 

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