《氣體傳感器原理.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《氣體傳感器原理.doc（14頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 氣體傳感器原理 分析氣體傳感器選擇及其分類 氣體傳感器是氣體檢測(cè)系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測(cè)頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)處理，以便化學(xué)傳感器進(jìn)行更快速的測(cè)量。 氣體的采樣方法直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。目前，氣體的采樣方式主要是通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測(cè)器。（簡(jiǎn)單擴(kuò)散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標(biāo)氣體穿過(guò)探頭內(nèi)的傳感器，產(chǎn)生一

2、個(gè)正比于氣體體積分?jǐn)?shù)的信號(hào)。由于擴(kuò)散過(guò)程漸趨減慢，所以擴(kuò)散法需要探頭的位置非常接近于測(cè)量點(diǎn)。擴(kuò)散法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將氣體樣本直接引入傳感器而無(wú)需物理和化學(xué)變換。樣品吸入式探頭通常用于采樣位置接近處理儀器或排氣管道。這種技術(shù)可以為傳感器提供一種速度可控的穩(wěn)定氣流，所以在氣流大小和流速經(jīng)常變化的情況下，這種方法較值得推薦。將測(cè)量點(diǎn)的氣體樣本引到測(cè)量探頭可能經(jīng)過(guò)一段距離，距離的長(zhǎng)短主要是根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)，但采樣線較長(zhǎng)會(huì)加大測(cè)量滯后時(shí)間，該時(shí)間是采樣線長(zhǎng)度和氣體從泄漏點(diǎn)到傳感器之間流動(dòng)速度的函數(shù)。對(duì)于某種目標(biāo)氣體和汽化物，如SiH4以及大多數(shù)生物溶劑，氣體和汽化物樣品量可能會(huì)因?yàn)槠湮阶饔蒙踔聊Y(jié)在采樣管

3、壁上而減少。） 根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行—個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 穩(wěn)定性：傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取

4、決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指?jìng)鞲衅鬟B續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。 響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間）：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)

5、特性，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。 線性范圍：傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。 靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度

6、高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲挠跀_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門(mén)類，從工作原理、特性分析到測(cè)量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測(cè)對(duì)象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題上目前還沒(méi)有統(tǒng)一，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。 通常以氣敏特性來(lái)分類，主要可分為：半導(dǎo)體型氣體傳

7、感器、電化學(xué)型氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光化學(xué)型氣體傳感器、高分子氣體傳感器等。 半導(dǎo)體氣體傳感器 半導(dǎo)體氣體傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料做成的元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起以載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化。這些都是由材料的半導(dǎo)體性質(zhì)決定的。 自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問(wèn)世以來(lái)，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍、最具有實(shí)用價(jià)值的一類氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機(jī)制可以分為電阻式和非電阻式兩種。 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜(例如：S

8、n02，ZnO Fe203，Ti02等)制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣味分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器傳導(dǎo)率的變化。為了消除氣味分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。它具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下、對(duì)氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想、功率要求高.當(dāng)探測(cè)氣體中混有硫化物時(shí)，容易中毒?，F(xiàn)在除了傳統(tǒng)的SnO，Sn02和Fe203三大類外，又研究開(kāi)發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開(kāi)

9、發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。另外，通過(guò)在半導(dǎo)體內(nèi)添加Pt，Pd，Ir等貴金屬能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。它能降低被測(cè)氣體的化學(xué)吸附的活化能，因而可以提高其靈敏度和加快反應(yīng)速度。催化劑不同，導(dǎo)致有利于不同的吸附試樣，從而具有選擇性。例如各種貴金屬對(duì)Sn02基半導(dǎo)體氣敏材料摻雜，Pt，Pd，Au提高對(duì)CH4的靈敏度，Ir降低對(duì)CH4的靈敏度；Pt，Au提高對(duì)H2的靈敏度，而Pd降低對(duì)H2的靈敏度。利用薄膜技術(shù)、超粒子薄膜技術(shù)制造的金屬氧化物氣體傳感器具有靈敏度高(可達(dá)10-9級(jí))、一致性好、小型化、易集成等特點(diǎn)。 非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場(chǎng)

10、效應(yīng)管式(MOSFET)半導(dǎo)體氣體傳感器。其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測(cè)氫和硅燒氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過(guò)分析器件性能的變化而識(shí)別VOC。通過(guò)改變催化金屬的種類和膜厚可優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜，成本高。 電化學(xué)型氣體傳感器 電化學(xué)型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過(guò)檢測(cè)電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，市售的檢測(cè)缺氧的儀器幾乎

11、都配有這種傳感器，近年來(lái)，又開(kāi)發(fā)了檢測(cè)酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^(guò)測(cè)量電解時(shí)流過(guò)的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測(cè)CO，NO，N02，02，S02等氣體外，還能檢測(cè)血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過(guò)被測(cè)氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過(guò)測(cè)量離子極化電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)已電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)氣體的靈敏度高、選擇性好。 固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，固體電解質(zhì)氣體傳感

12、器由于電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎應(yīng)用于環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量大、應(yīng)用廣，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。近來(lái)國(guó)外有些學(xué)者把固體電解質(zhì)氣體傳感器分為下列三類： 1)材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子相同的傳感器，例如氧氣傳感器等。 2)材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子不相同的傳感器，例如用于測(cè)量氧氣的由固體電解質(zhì)SrF2H和Pt電極組成的氣體傳感器。 3)材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器，例如新開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的C02固體電解質(zhì)氣體傳感器是由固體電解質(zhì)NASI

13、CON(Na3Zr2Si2P012)和輔助電極材料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03，Li2C03- BaC03組成的。 目前新近開(kāi)發(fā)的高質(zhì)量固體電解質(zhì)傳感器絕大多數(shù)屬于第三類。又如：用于測(cè)量N02的由固體電解質(zhì)NaSiCON和輔助電極N02- Li2C03制成的傳感器；用于測(cè)量H2S的由固體電解質(zhì)YST-Au-W03制成的傳感器；用于測(cè)量NH3的由固體電解質(zhì)NH4-Ca203制成的傳感器；用于測(cè)量N02的由固體電解質(zhì)Ag0.4Na7.6和電極Ag-Au制成的傳感器等。 接觸燃燒式氣體傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，其工作原理是氣敏材

14、料(如Pt電熱絲等)在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發(fā)生變化。這種傳感器對(duì)不燃燒氣體不敏感，例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。這種傳感器有時(shí)稱之為熱導(dǎo)性傳感器，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。  氣體傳感器的研究進(jìn)展 隨著人們生活水平的提高和對(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害氣體的探測(cè)，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對(duì)食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都提出了更

15、高的要求，作為感官或信號(hào)輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。氣體傳感器能夠?qū)崟r(shí)對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)和分析，具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；加上微電子、微加工技術(shù)和自動(dòng)化、智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得氣體傳感器體積變小、價(jià)格低廉、使用方便，因此它在軍事、醫(yī)學(xué)、交通、環(huán)保、質(zhì)檢、防偽、家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前市售的氣體傳感器仍然存在一些問(wèn)題，如選擇性和穩(wěn)定性較差等。氣體傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開(kāi)發(fā)正日益受到重視，世界各國(guó)紛紛投巨資進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究。 氣體傳感器的種類很多，分類標(biāo)準(zhǔn)不一，根據(jù)傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機(jī)理和效應(yīng)不同

16、主要可分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器、表面聲波氣體傳感器等形式。 1 半導(dǎo)體氣體傳感器 半導(dǎo)體氣體傳感器分為金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器和有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器。 1.1金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器 自上世紀(jì)60年代以來(lái)，金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器就以較高的靈敏度、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)氣體傳感器的半壁江山。最初的氣體傳感器主要采用SnO2、ZnO為氣敏材料，近些年又研究開(kāi)發(fā)了一些新型材料，除了少量單一金屬氧化物材料，如WO3、In2O3、TiO2、Al2O3等外，開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)主要集中在復(fù)合金屬氧化物和混合物金屬氧化

17、物，如表1所示。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩種。 1.1.1電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器　　 SnO2、ZnO是電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的氣敏材料的典型代表，它們兼有吸附和催化雙重效應(yīng)，屬于表面控制型，但該類半導(dǎo)體傳感器的使用溫度較高，大約200～500℃。為了進(jìn)一步提高它們的靈敏度，降低工作溫度，通常向母料中添加一些貴金屬（如Ag、Au、Pb等），激活劑及粘接劑Al2O3、SiO2、ZrO2等。例如添加1% ZrO2的ZrO2－SnO2氣體傳感器對(duì)于１１０－５的Ｈ２Ｓ氣體靈敏度與未添加ZrO2的元件相比，靈敏度增加約50倍左右；在SnO2中添加Pb能明顯提高響應(yīng)

18、時(shí)間。采用粉末濺射技術(shù)制備的表面層摻雜SnO2 /SnO2：Pt雙層膜來(lái)檢測(cè)CO的濃度，發(fā)現(xiàn)可降低工作溫度，在室溫至200℃溫度范圍內(nèi)均顯示出較高的靈敏度。通過(guò)添加不同的添加劑還能改善氣體傳感器的選擇性，在ZnO中添加Ag能提高對(duì)可燃性氣體的靈敏度，加入V2O5能使其對(duì)氟里昂更加敏感，加入Ga2O3能提高對(duì)烷烴的靈敏度[]。Fe2O3系也屬于該類氣體傳感器，用溶膠凝膠法和化學(xué)氣相沉積法合成納米級(jí)的Fe2O3對(duì)CH4、H2、C2H5OH有很好的敏感性；向Fe2O3中加入少量的SO42－及四價(jià)金屬離子如Sn4+由于抑制其晶粒生長(zhǎng)而提高靈敏度。近年來(lái)采用薄膜技術(shù)和集成電路技術(shù)把加熱元件、溫度傳感器、

19、叉指電極、氣體敏感膜集成在硅寸底上制成了比常規(guī)的多晶膜高的多得的氣敏元件，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，可以根據(jù)被測(cè)氣體選擇不同的敏感膜，使得該類傳感器成為很有發(fā)展前景的新型半導(dǎo)體氣體傳感器。但氣敏元件一般暴露在大氣中且加熱元件的電壓值決定了氣敏元件的工作溫度，因此如何消除濕度和溫度等環(huán)境因素對(duì)測(cè)量的影響還未得到很好的解決。 表1近期開(kāi)發(fā)的一些氣體傳感器敏感材料 檢測(cè)氣體 敏感材料 CH4 Rh－SnO2、CeO2－SnO2 CO Au/Co3O4、Cu－ZnO2 H2 Sb2O3－SnO2、Bi2O3－SnO2 CO2 La2O3－SnO2、CaO－La2O3、Ag－CuO－B

20、aTiO2、Cu－BaSnO2、BaCe0.25Y0.05O3-x、Cu－SnTiO3 NH3 Au/WO3、Cr1.8TiO3 C2H5OH Pd－La2O3－SnO2、 Pd－La2O3－In2O3 H2S ZnO－SnO2、CuO－SnO2、Ag－SnO2、Au－WO3 NOX In－TiO2、In2O3、Cd－SnO2、WO3、Ga－ZnO、In，Al－SnO2、Cr2O5－Nb2O5、V/In－SnO2 SO2 LiSO4－CaSO4－SiO2 PH3 ZnO、SnO2、 Sr1-yCayFeO3-x(y=0.05,1)、Fe2O3系 1.1.2非電阻式金屬氧

21、化物半導(dǎo)體氣體傳感器 　　非電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要包括MOS場(chǎng)效應(yīng)管型氣體傳感器和二極管型氣體傳感器等。 　　氫氣敏Pd柵MOSEFT是最早研制成的催化金屬柵場(chǎng)效應(yīng)氣體傳感器，當(dāng)氫氣與Pd發(fā)生作用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓將隨氫氣濃度而變化，以此來(lái)檢測(cè)氫氣。這種結(jié)構(gòu)的氣體傳感器對(duì)氫氣的靈敏度可達(dá)ppm級(jí)，而且選擇性非常好，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題目前尚未得到很好解決。此外Pd柵MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管型氣體傳感器還可以檢測(cè)一些易分解出氫氣的氣體，如NH3、H2S等[]。采用YSZ作MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，Pt作金屬柵可制成氧氣敏場(chǎng)效應(yīng)管型氣體傳感器[]。A.Fuchs等人用帶有KI敏感膜的

22、場(chǎng)效應(yīng)管氣體傳感器可以很好的實(shí)現(xiàn)O3的檢測(cè)，在20～80ppb濃度范圍內(nèi)有很好的分辨率[]。將MOSFET的金屬柵去掉,采用La0.7Sr0.3FeO3納米薄膜作柵制作了微米尺寸、室溫工作的OSFET式氣體傳感器成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙醇?xì)怏w的檢測(cè)。 　　晶體管型氣體傳感器的原理是吸附在金屬與半導(dǎo)體界面間的氣體使得半導(dǎo)體禁帶寬度或金屬的功函數(shù)發(fā)生變化，通過(guò)半導(dǎo)體整流特性的變化來(lái)判斷其濃度的大小。在摻錮的硫化鎘上蒸發(fā)一薄層鈀構(gòu)成鈀/硫化鎘二極管傳感器,可以用來(lái)檢測(cè)氫氣。此外鈀/氧化鈦、鈀/氧化鋅、鉑/氧化鈦也可制成二極管敏感元件用于氫氣檢測(cè)[]。 1.2有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器 　　有機(jī)半導(dǎo)體材料由于

23、其易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉,易與微結(jié)構(gòu)傳感器相結(jié)合, 并且可以根據(jù)功能需要進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和合成等諸多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。 　　酞菁類聚合物是有機(jī)半導(dǎo)體敏感材料的代表，它們所具有的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得吸附氣體分子與有機(jī)半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系。不同的酞菁聚合物可選擇如真空升華技術(shù)、LB膜技術(shù)、旋涂技術(shù)和自組織膜技術(shù)等制膜技術(shù)在檢測(cè)器件上制得薄膜型氣敏元件，還可制得傳感器陣列，使其與計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)結(jié)合使用。謝丹等人在MOSFET基礎(chǔ)上,根據(jù)電荷流動(dòng)電容器原理,以三明治型稀土金屬元素鏷雙酞菁配合物Pr[Pc(OC8H17)8]2為氣敏材料，取代中間柵極中的間隙位置，利

24、用LB超分子薄膜技術(shù)，將Pr[Pc(OC8H17)8]2與十八烷醇（OA）以1：3的比例混合而成的LB多層膜拉制在電荷流動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管（CFT）上，形成一種新型的具有CFT結(jié)構(gòu)的LB膜NO2氣體傳感器，室溫下檢測(cè)NO2靈敏度可達(dá)5ppm[]。此外，聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、β―胡蘿卜素等[]近年來(lái)也被用作有機(jī)半導(dǎo)體氣敏材料受到人們關(guān)注。 2　固體電解質(zhì)氣體傳感器 　　固體電解質(zhì)指的是依靠離子或質(zhì)子來(lái)實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)的一類固態(tài)物質(zhì)。固體電解質(zhì)氣體傳感器的原理是敏感材料在一定氣氛中會(huì)產(chǎn)生離子，離子的遷移和傳導(dǎo)形成電勢(shì)差，根據(jù)電勢(shì)差來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度大小的測(cè)定。由于這種傳感器在一定溫度下電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性好

25、，所以在冶金石化、能源環(huán)保和宇航交通等各領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。 　　ZrO2氧傳感器是最具有代表性的固體電解質(zhì)氣體傳感器。通常用 CaO、MgO、Y2O3穩(wěn)定的ZrO2做氧離子導(dǎo)體，靈敏度非常高，1000℃ZrO2（CaO）傳感器的測(cè)量下限為10―13Pa氧，響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)跟蹤連續(xù)檢測(cè)[]。該類傳感器的特點(diǎn)是氣敏材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子相同，原理簡(jiǎn)單。 　　目前固體電解質(zhì)氣體傳感器研究的熱點(diǎn)主要集中下面兩類：一類是氣敏材料吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中的移動(dòng)離子不相同的傳感器；另一類是氣敏材料中吸附待測(cè)氣體派生的離子與電解質(zhì)中移動(dòng)離子以及材料中的固定離子都不相同

26、的傳感器。這兩類原理相對(duì)復(fù)雜，有些原理至今仍未得到合理解釋。將用溶膠凝膠法合成的NASICON與BaCO3―LiCO3輔助相復(fù)合電極做成小型CO2固體電解質(zhì)氣體傳感器，發(fā)現(xiàn)該器件對(duì)CO2表現(xiàn)出良好的線性敏感特性、快速的響應(yīng)恢復(fù)和較強(qiáng)的抗干擾能力[]；以NASICON為固體電解質(zhì)，采用NaNO2為輔助電極構(gòu)成的傳感器，發(fā)現(xiàn)對(duì)NO2和NO的敏感性遠(yuǎn)優(yōu)于NaNO2[]；從K2SO4、Na2SO4、Li2SO4、AgSO4到NaSiCON、Na-β(β)-Al2O3、Ag-β-Al2O3都被用做SO2氣體傳感器[]；固體電解質(zhì)NH -CaCO3、YST-Au-WO3分別被用做NH3與H2S氣體傳感器[

27、]； 本實(shí)驗(yàn)室采用單晶、多晶、LaF3(CaF2)制成H2O、H2、SO2固體電解質(zhì)傳感器，發(fā)現(xiàn)靈敏度和選擇性都較高[]。有機(jī)固體電解質(zhì)以易成膜，彈性好，質(zhì)輕，易形成大面積，且制備簡(jiǎn)單和原料易得等優(yōu)點(diǎn)也引起眾多研究者的興趣。常見(jiàn)的有機(jī)固體電解質(zhì)包括聚乙烯氧化物（PEO）、磷酸氫鈾酰、Nafion高分子等[]，它們常被用做H2和水蒸氣固體電解質(zhì)傳感器的氫離子導(dǎo)體（質(zhì)子導(dǎo)電）。有機(jī)凝膠電解質(zhì)傳感器已用于檢測(cè)空氣中的H2S、PH3等有害氣體。 3　接觸燃燒式氣體傳感器 　　接觸燃燒式氣體傳感器的工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，溫度約在300～600℃，當(dāng)可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化

28、燃燒，燃燒熱進(jìn)一步使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測(cè)量電阻變化從而測(cè)量氣體濃度[]。該種氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)氣體選擇性好，受溫度和濕度影響小，響應(yīng)快，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在石油化工廠、礦井、浴室和廚房等處。目前實(shí)用化的接觸燃燒式氣體傳感器有規(guī)模生產(chǎn)的H2、LPG、CH4檢測(cè)用產(chǎn)品,其次是碳化氫與有機(jī)溶劑蒸氣檢測(cè)用產(chǎn)品[]。但它們對(duì)低濃度可燃性氣體靈敏度低，敏感元件受催化劑侵害較嚴(yán)重。 4　光學(xué)式氣體傳感器 　　光學(xué)式氣體傳感器主要以光譜吸收型為主。它的原理是：不同的氣體物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)不同、濃度不同和能量分布的差異而有各自不同的吸收光譜。這就決定了光譜吸收型氣體傳感器的選擇性、鑒別性和

29、氣體濃度的唯一確定性。若能測(cè)出這種光譜便可對(duì)氣體進(jìn)行定性、定量分析。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了流體切換式、流程直接測(cè)量式等多種在線紅外吸收式氣體傳感器。在汽車的尾氣中，CO、CO2和烴類物質(zhì)的濃度，以及工業(yè)燃燒鍋爐中的有害氣體SO2、NO2都可采用光譜吸收型氣體傳感器來(lái)檢測(cè)。 　　光學(xué)式氣體傳感器還包括熒光型、光纖化學(xué)材料型等類型。氣體分子受激發(fā)光照射后處于激發(fā)態(tài)，在返回基態(tài)的過(guò)程中發(fā)出熒光。由于熒光強(qiáng)度與待測(cè)氣體的濃度成線性關(guān)系，熒光型氣體傳感器通過(guò)測(cè)試熒光強(qiáng)度便可測(cè)出氣體的濃度。光纖化學(xué)材料型氣體傳感器是指在光纖的表面或端面涂一層特殊的化學(xué)材料，而該材料與一種或幾種氣體接觸時(shí)，引起光纖的耦合度、反射

30、系數(shù)、有效折射率等諸多性能參數(shù)的變化，這些參數(shù)又可以通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制等方法來(lái)檢測(cè)。例如：涂在光纖上的鈀膜遇H2時(shí)候就會(huì)膨脹，氣體引起薄膜的膨脹可以通過(guò)測(cè)量干涉儀的輸出光的強(qiáng)度來(lái)測(cè)得。 5　石英諧振式氣體傳感器 　　石英諧振式氣敏元件由石英基片、金電極和支架三部分組成。其電極上涂有一層氣體敏感膜，當(dāng)被測(cè)氣體分子吸附在氣體敏感膜上時(shí)，敏感膜的質(zhì)量增加，從而使石英振子的諧振頻率降低。諧振頻率的變化量與被測(cè)氣體的濃度成正比。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏高,但只能使用在室溫下工作的氣體敏感膜。選取聚乙烯亞胺PEI(poly ethylene imine)作敏感膜,發(fā)現(xiàn)該傳感器對(duì)CO2的氣敏特性、選擇性都很好

31、,對(duì)體積50010-6的CO2氣體測(cè)試，其響應(yīng)時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)間為2s。酞菁類聚合物也常被用來(lái)制成石英諧振式氣敏元件。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可測(cè)試NH3、SO2、HCl、H2S、醋酸蒸氣的石英諧振式氣體傳感器。 6　表面聲波氣體傳感器 　　表面聲波氣體傳感器發(fā)展的歷史很短，可謂是后起之秀。盡管在實(shí)用化方面還存在許多問(wèn)題，但它符合信號(hào)系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、高精度的方向，因此倍受世界上許多國(guó)家的高度重視。表面聲波傳播速度的影響因素很多，例如：環(huán)境溫度、壓力、電磁場(chǎng)、氣體性質(zhì)、固體介質(zhì)的質(zhì)量、電導(dǎo)率等。通過(guò)選擇合適的敏感膜來(lái)控制諸多影響因素中的一個(gè)因素起主導(dǎo)作用。當(dāng)質(zhì)量起主導(dǎo)作用時(shí)，表面聲波的振蕩頻率

32、與氣體敏感膜的密度成正比；當(dāng)電導(dǎo)率起主導(dǎo)作用時(shí)，表面聲波的振蕩頻率與氣體敏感膜的方塊電導(dǎo)率成反比。設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用雙通道延遲線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和壓力變化的補(bǔ)償。目前研究的該類氣體傳感器大多采用有機(jī)膜來(lái)做氣敏材料，主要有聚異丁烯、氟聚多元醇等，被用來(lái)檢測(cè)苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸氣；酞菁類聚合物薄膜被用來(lái)檢測(cè)ＮＯ２、ＮＨ３、ＣＯ、ＳＯ２等氣體。 7　氣體傳感器的發(fā)展方向 　　氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究?jī)?nèi)容。要切實(shí)提高傳感器各方面的性能指標(biāo)需要多學(xué)科、多領(lǐng)域研究工作者的協(xié)同合作。氣敏材料的開(kāi)發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)一直受到研究人員的關(guān)注。未來(lái)氣體傳感

33、器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開(kāi)工作。具體表現(xiàn)如下: 　　氣敏材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一方面尋找新的添加劑對(duì)已開(kāi)發(fā)的氣敏材料性能進(jìn)行進(jìn)一步提高；另一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術(shù)尋找性能更加優(yōu)越的氣敏材料。 　　新型氣體傳感器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)根據(jù)氣體與氣敏材料可能產(chǎn)生的不同效應(yīng)設(shè)計(jì)出新型氣體傳感器。近年來(lái)表面聲波氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器等新型傳感器的開(kāi)發(fā)成功進(jìn)一步開(kāi)闊了設(shè)計(jì)者的視野。目前仿生氣體傳感器也在研究中。 氣體傳感器傳感機(jī)理的進(jìn)一步研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮，很有必要在理論上對(duì)它們的傳感機(jī)理進(jìn)行深度的研究。只有機(jī)理明確了，下一步的工作才會(huì)少走彎路

34、。 　　氣體傳感器的智能化生產(chǎn)和生活日新月異的發(fā)展對(duì)氣體傳感器提出了更高的要求，氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。 　　仿生氣體傳感器的迅速發(fā)展　警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的＂電子鼻＂將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。  一氧化碳傳感器原理 科技名詞定義 中文名稱： 一氧化碳傳感器 英文名稱： carbon monoxide transducer

35、 定義： 將空氣中的一氧化碳濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置。 所屬學(xué)科： 煤炭科技（一級(jí)學(xué)科） ；礦山電氣工程（二級(jí)學(xué)科） ；煤礦監(jiān)測(cè)與控制（三級(jí)學(xué)科） 一、化學(xué)傳感器 　　一氧化碳傳感器屬于化學(xué)傳感器?；瘜W(xué)傳感器主要由兩部分組成：識(shí)別系統(tǒng)；傳導(dǎo)或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 　　識(shí)別系統(tǒng)把待測(cè)物的某一化學(xué)參數(shù)（在這里是氣體濃度）與傳導(dǎo)系統(tǒng)連結(jié)起來(lái)。它主要具有兩種功能：選擇性地與待測(cè)物發(fā)生作用，把所測(cè)得的化學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)系統(tǒng)可以產(chǎn)生響應(yīng)的信號(hào)。 　　分子識(shí)別系統(tǒng)是決定整個(gè)化學(xué)傳感器的關(guān)鍵因素。因此，化學(xué)傳感器研究的主要問(wèn)題就是分子識(shí)別系統(tǒng)的選擇以及如何把分子識(shí)別系統(tǒng)與

36、合適的傳導(dǎo)系統(tǒng)相連接。 　　化學(xué)傳感器的傳導(dǎo)系統(tǒng)接受識(shí)別系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)電極、光纖或質(zhì)量敏感元件將響應(yīng)信號(hào)以電壓、電流或光強(qiáng)度等的變化形式，傳送到電子系統(tǒng)（即調(diào)理電路）進(jìn)行放大或進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，最終使識(shí)別系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯苡米鞣治龅男盘?hào)，檢測(cè)出樣品中待測(cè)物的量。 化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)是由電極、過(guò)濾器、透氣膜、電解液、電極引出線（管腳）、殼體等部分組成。 二、一氧化碳電化學(xué)傳感器 一氧化碳電化學(xué)氣體傳感器可與報(bào)警器配套使用，是報(bào)警器中的核心檢測(cè)元件，它是以定電位電解為基本原理。當(dāng)一氧化碳擴(kuò)散到氣體傳感器時(shí)，其輸出端產(chǎn)生電流輸出，提供給報(bào)警

37、器中的采樣電路，起著將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的作用。當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，氣體傳感器的輸出電流也隨之成正比變化，經(jīng)報(bào)警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，以驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測(cè)與報(bào)警功能，與相應(yīng)的控制裝置一同構(gòu)成了環(huán)境檢測(cè)或監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。 三、一氧化碳電化學(xué)傳感器基本工作原理 當(dāng)一氧化碳?xì)怏w通過(guò)傳感器外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴(kuò)散到工作電極表面上時(shí)，在工作電極的催化作用下，一氧化碳?xì)怏w在工作電極上發(fā)生氧化。其化學(xué)反應(yīng)式為：。在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的離子和電子，通過(guò)電解液轉(zhuǎn)移到與工作電極保持一定間隔的對(duì)電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式為： 。因此，傳感器內(nèi)部就發(fā)生了氧

38、化-還原的可逆反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式為：2CO+2O2 →2CO2。這個(gè)氧化-還原的可逆反應(yīng)在工作電極與對(duì)電極之間始終發(fā)生著，并在電極間產(chǎn)生電位差。 但是由于在兩個(gè)電極上發(fā)生的反應(yīng)都會(huì)使電極極化（見(jiàn)后解）這使得極間電位難以維持恒定，因而也限制了對(duì)一氧化碳濃度可檢測(cè)的范圍。 為了維持極間電位的恒定，我們加入了一個(gè)參比電極。在三電極電化學(xué)氣體傳感器中，其輸出端所反應(yīng)出的是參比電極和工作電極之間的電位變化,由于參比電極不參與氧化或還原反應(yīng)，因此它可以使極間的電位維持恒定（即恒電位），此時(shí)電位的變化就同一氧化碳濃度的變化直接有關(guān)。當(dāng)氣體傳感器產(chǎn)生輸出電流時(shí)，其大小與氣體的濃度成正比。通過(guò)電極引出線

39、用外部電路測(cè)量傳感器輸出電流的大小，便可檢測(cè)出一氧化碳的濃度，并且有很寬的線性測(cè)量范圍。這樣，在氣體傳感器上外接信號(hào)采集電路和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和輸出電路，就能夠?qū)σ谎趸細(xì)怏w實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和監(jiān)控。 四、一氧化碳傳感器的應(yīng)用 一氧化碳傳感器廣泛使用在礦山，汽車，家庭等空氣質(zhì)量安全檢測(cè)的地方。  電極的極化 [電極極化] electrode polarization； 電子導(dǎo)體與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)形成電偶層，產(chǎn)生電位跳躍，這個(gè)電位跳躍便稱為電子導(dǎo)體與溶液接觸時(shí)的電極電位。當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，相對(duì)平衡的電極電位數(shù)值將發(fā)生變化。通常把在—定電流密度作用下的電極電位與相對(duì)平衡的電極電位的差值

40、，稱為電極極化。常見(jiàn)的有電化學(xué)極化、濃差極化等。由電極極化作用引起的電動(dòng)勢(shì)叫做超電壓。 電極上有（凈）電流流過(guò)時(shí)，電極電勢(shì)偏離其平衡值，此現(xiàn)象稱作極化。根據(jù)電流的方向又可分為陽(yáng)極化和陰極化。極化是指腐蝕電池作用一經(jīng)開(kāi)始，其電子流動(dòng)的速度大于電極反應(yīng)的速度。在陽(yáng)極，電子流走了，離子化反應(yīng)趕不上補(bǔ)充；在陰極，電子流入快，取走電子的陰極反應(yīng)趕不上，這樣陽(yáng)極電位向正移，陰極電位向負(fù)移，從而縮小電位差，減緩了腐蝕。在通常情況下，可以使用一些緩蝕劑、添加到水溶液中促使極化的產(chǎn)生。這類添加的物質(zhì)，能促使陽(yáng)極極化的叫陽(yáng)極性緩蝕劑。能促使陰極極化的叫陰極性緩蝕劑。電流通過(guò)電極時(shí)，電極電勢(shì)偏離平衡電極電勢(shì)的現(xiàn)象

41、稱為電極的極化。極化導(dǎo)致電池在接入電路以后正負(fù)極間電壓的降低，也導(dǎo)致電鍍和電解槽在開(kāi)始工作以后所需電壓的升高。這二者都是不利的，所以我們要盡量減小極化現(xiàn)象。陽(yáng)極上析出電位（正值）要比理論析出電位更正；陰極上的析出電位要比理論析出電位更負(fù)，我們把實(shí)際電位偏離理論值的現(xiàn)象稱為極化，把實(shí)際析出電位與理論析出電位間的差值稱為超電位或過(guò)電位。 電極的去極化 凡是能減弱活消除極化過(guò)程的作用稱為去極化作用。在溶液增加去極劑的濃度、升溫、攪拌以及其它降低活化超電壓的措施都將促進(jìn)陰極去極化作用的增強(qiáng)；陽(yáng)極去極化作用是指減少或消除陽(yáng)極極化的作用，例如攪拌、升溫等均會(huì)加快金屬陽(yáng)離子進(jìn)入溶液的速度，從而減弱陽(yáng)極極

42、化。溶液中加入絡(luò)合劑或沉淀劑，它們會(huì)與金屬離子形成難溶解的絡(luò)合物或沉淀物，不僅可以使金屬表面附近溶液中金屬離子濃度降低，并能一定程度地減弱陽(yáng)極電化學(xué)極化。如果溶液中加入某些活性陰離子，就有可能使已經(jīng)鈍化了的金屬重新處于活化狀態(tài)。顯然，從控制腐蝕的角度，總是希望如何增強(qiáng)極化作用用以降低腐蝕速度。但是對(duì)于電解過(guò)程，腐蝕加工，為了減少能耗卻常常力圖強(qiáng)化去極化作用。用作犧牲陽(yáng)極保護(hù)的材料也是要求極化性能越小越好?！　? 電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器原理 半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器依靠某些金屬-氧化物半導(dǎo)體的表面電導(dǎo)率或體電導(dǎo)率隨周圍大氣中氧氣濃度而變的原理進(jìn)行工作。1962年，塔古奇創(chuàng)辦了Figa

43、ro Engineering公司，該公司在1968年便開(kāi)始銷售首批金屬-氧化物半導(dǎo)體傳感器-TGS（Taguchi傳感器氣體）。 半導(dǎo)體氧化物的晶體具有一些缺陷，通常為氧離子空位。在高于700℃左右的溫度下，從大氣中吸附和吸收的O2分子離解，通過(guò)從金屬氧化物中奪取電子而形成，因而降低了電導(dǎo)率。氧化物的電導(dǎo)率與氧氣分壓強(qiáng)之間的關(guān)系具有下列形式： TGS系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體，最常用的如Sn02。金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正

44、的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢(shì)壘(勢(shì)壘（Potential Engergy Barrier）就是勢(shì)能比附近的勢(shì)能都高的空間區(qū)域，基本上就是極值點(diǎn)附近的一小片區(qū)域)升高，從而阻礙電子流動(dòng)(見(jiàn)圖1)。 在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體微品粒的結(jié)合部位(晶界)才能形成流由氧吸附產(chǎn)生的勢(shì)壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢(shì)壘。在上作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時(shí)，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢(shì)壘隨之降低(圖2和圖3)。導(dǎo)致傳感器的阻值減小。 在給定的上作條件下和適當(dāng)?shù)臍怏w濃度范圍內(nèi)，傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關(guān)系可近似由

45、下面方程表示: 其中:Rs:傳感器電阻 A:常數(shù) C:氣體濃度 a : Rs曲線的斜率 如何選擇氣體傳感器 1．根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境 　　根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行—個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行

46、研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 2．靈敏度的選擇 　　通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲挠跀_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3．響應(yīng)特性 （反應(yīng)

47、時(shí)間） 　　傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。 4．線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。