电化学型气体传感器的结构与分类介绍

城市里开车的朋友大多数都遇到如图上所示的场景，那么，人民警察凭什么仅仅让你吹一口气，就判定你涉嫌酒后驾驶或醉酒驾驶呢？

这里就不得不提到警察执法里所用到的测试设备——酒精测试仪，酒精测试仪的核心部件正是一种可以精确测定酒精成份和浓度的气体传感器，执法人员正是通过它测出驾驶都呼出的气体中是否含有酒精成份以及含有酒精的多少，作为判断对方是否涉嫌酒驾或醉驾的依据。

气体传感器的定义

所谓气体传感器，是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的传感器。

在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体 传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。

在电力工业等生产制造领域，也常用气体传感器定量测量烟气中各组分的浓度， 以判断燃烧情况和有害气体的排放量等。在大气环境监测领域，采用气体传感器判定环境污染状况，更是十分普遍。

气体传感器的相关历史

20世纪初第一只半导体传感器诞生于英国，并一直在欧洲发展和应用，直到20世纪50年代半导体传感技术才流传到日本，费加罗技研的创始人田口尚义在1968年5月率先发明了半导体式气体传感器。

它可以用简单的回路检测出低浓度的可燃性气体和还原性气体，同时将这个半导体式气体传感器命名为TGS(Taguchi Gas Sensor)内置在气体泄漏报警器中，日本和海外的许多家庭和工厂都设置了这些报警器，用于检测液化气等气体的泄漏，进而把这项技术推进到了顶峰。

而欧洲人在发现了半导体传感器的种种不足后开始研究催化传感器和电化学传感器。气体传感器的理论直到70年代才传入到我们国家，80年代我国才开始研制气体传感器，整个生产技术主要继承于德国。

气体传感器的分类

从检测气体种类上，通常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导 体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器。

从使用方法上，通常分为便携式气体传感器和固定式气体传感器。

从获得气体样品的方式上，通常分为扩散式气体传感器（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检测元件直接接触）、吸入式气体传感器（是指通过使 用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检测元件中进行检测。根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）。

从分析气体组成上，通常分为单一式气体传感器（仅对特定气体进行检测）和复合式气体传感器（对多种气体成分进行同时检测）。

按传感器检测原理，通常分为热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器、气相色谱式气体传感器等。

不同气体传感器的检测原理、特点和用途

热学式气体传感器

热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的。其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛。

热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中广泛应用的是气体的氧化反应(即燃烧)，其典型为催化燃烧式气体传感器，其主要工作原理是在一定温度下，一些金属氧化物半导体材料的电导率会跟随环境气体的成份变化而变化。

其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的CO、H2 、C2H2等可燃气体，采煤矿井用于分析坑道中的CH4含量，石油开采船只分析现场漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管仓库或原料车间分析空气中的石油蒸 气、酒精乙醚蒸气等。

左图：催化元件示意图（1-催化剂；2-载体；3-Pt电热丝）；右图：催化元件测试电路

主要优点：对所有可燃气体的响应有广谱性，对环境温度、湿度影响不敏感，输出信号近线性，且其结构简单，成本低，计量准确，响应快速，寿命较长。

主要不足：精度低，工作温度高 (内部温度可达700～800℃)，有引燃爆炸的危险。电流功耗大，易受硫化物、卤素化合物等中毒的不利影响等。

电化学式气体传感器

电化学式气体传感器是利用被测气体的电化学活性，将其电化学氧化或还原，从而分辨气体成分，检测气体浓度的。

电化学型气体传感器结构示意图

电化学气体传感器分很多子类：

1、原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。

2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。

3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。

4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。

主要优点：体积小，功耗小，线性和重复性较好，分辨率一般可以达到0.1ppm，寿命较长。

主要不足：易受干扰，灵敏度受温度变化影响较大。

氧化锆氧量传感器是电化学式成分分析传感器中发展比较晚的一种，开始出现于20世纪60年代，其工作基理是 根据浓差电池原理，通过测量待分析气体和参比气体因氧气浓度差异而导致的浓差电动势，来测量待分析气体中的含氧量。

由于它具有结构简单、工作可靠、灵敏度 高、稳定性好、响应速度快、安装使用方便等优点，因此发展较快。常应用于硫酸、空气分离、锅炉燃烧等多组分气体的氧量分析以及熔融金属的含氧测定等。

磁学式气体分析传感器

在磁学式气体分析传感器中，最常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器，利用的是空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。其氧量的测量范围最宽，是一种十分有效的氧量测量传感器。

常用的有热磁对流式氧量分析传感器(按构成方式不同，又可细分为测速热磁式、压力平衡热磁式)和磁力机械式氧量分析传感器。

主要用途：用于氧气的检测，选择性极好，是磁性氧气分析仪的核心。其典型应用场合有化肥生 产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产中氧的控制和连锁，废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。

光学式气体传感器

光学式气体传感技术是起步较晚，但发展最快的技术之一。工业中常用的类型有红外线气体分析仪、紫外线分析仪、光电比色式分析仪、化学发光式分析仪、光散射式分析仪等。

各种气体吸收红外线光谱图

红外线式的工作原理是利用被测气体的红外吸收光谱特征或热效应而实现气体浓度测量的。常用光谱范围1～25μm，常用的类型有DIR色散红外线式和 NDIR非色散红外线式。红外线气体传感器可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度，包括二氧化碳、甲烷的检测。红外探测器使用无需调制光源，完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。

常用的紫外线分析仪有不分光紫外线分析仪和紫外荧光式分析仪，前者与红外线吸收原理类似，也是基于实测气体对紫外线选择性地吸收，其吸收特性也遵守比 尔定律，所使用的紫外波长范围是200～400nm。

后者如紫外荧光式SO2分析仪，是一种干法式分析仪，工作原理是基于SO2分子接受紫外线能量成为激 发态的SO2分子，在返回稳态时产生特征荧光，其发出的荧光强度与SO2浓度成正比。

紫外荧光式可做到不破坏样品而连续自动测量大气中的SO2含量。其灵敏度可达测量范围的0～2×10 -7 ，稳定性可做到在24h的漂移为满刻度的±2%，重复性达±2%满刻度，且共存的背景气体对测量的影响较小，具有寿命长，维修工作量小的显着优点。

光电比色式是基于比尔定律实现自动光电比色测量的，其适用的分析对象有SO2、NO、碳氢化合物、卤素化合物等。

化学发光式分析仪是利用化学氧化反应伴有的光热生成原理而工作，常用的化学发光式分析仪有臭氧分析仪(利用O3-C2H4产生化学发光反应所放出的光子来测定臭氧)和化学发光式NO X 分析仪(利用O3的强氧化作用，使NO与O3发生化学发光反应来实现测量)。

光散射式分析仪是利用光束与气体中的颗粒相互作用产生散射(前散射、边散射、后散射)来进行气体浊度或不透明度测量的，是环境排放监测中最常用的分析仪表之一。

半导体式气体传感器

半导体式气体传感器是根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或 伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。

表面电荷层模型工作示意图

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还原性气体时，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，导致传感器的组织减小。

从作用机理上可分为表面控制型(采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件)、表面电位型(采用 半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件)、体积控制型(基于半导体与气体发生反应时体积发生变化，从而产生电导率变化的工作原理) 等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害气体。

主要优点：结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、反应速度快等。

主要不足：测量线性 范围较小，受背景气体干扰较大，易受环境温度影响等。

气相色谱式分析仪

气相色谱式分析仪是基于色谱分离技术和检测技术，分离并测定气样中各组分浓度，因此是全分析传感器。在发电厂锅炉试验中，已有应用。

工作时，从进样装置 定期采取一定容积的气样，在流量一定的纯净载气(即流动相)携带下，流经色谱柱，色谱柱中装有称为固定相的固体或液体，利用固定相对气样各组分的吸收或溶 解能力的不同，使各组分在两相中反复进行分配，从而使各组分分离，并按时间先后流出色谱柱进入检测器进行定量测定。

根据检测原理，气相色谱式分析仪又细分为浓度型检测器和质量型检测器两种。

浓度型检测器测量的是气体中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。

质量型检测器测量的是气体中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器某组分的量成正比。最常用的检测器有TCD热导检测 器、FLD氢火焰离子化检测器、HCD电子捕获检测器、FPD火焰光度检测器等。

主要优点：灵敏度高，适合于微量和痕量分析，能分析复杂的多相分气体。

主要不足：定期取样不能实现连续进样分析，系统较为复杂，多用于 试验室分析用，不太适合工业现场气体监测。

目前已有采用计算机控制仪表系统的操作和进行数据运算的气相色谱仪，并可进行组分越限报警，还具有自动检查仪表 故障等功能。

随着健康问题越来越得到关注，大气质量、室内空气质量、车内空气质量监控数据则成为人们随时随地想看到的数据，气体传感器在这一过程中无疑将扮演更加重要的角色。

作为一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，气体传感器的用途十分广泛。现实生活中，实际上不论是在民用、工业还是环境检测等方面，气体传感器发挥着巨大的作用。