一、引言
气体传感器是能把某种气体浓度转换成电信号的装置, 其核心是气敏元件。它具有响应速度快、定量分析、成本低廉等优点, 在工业领域受到广泛应用。
根据不同的分类标准, 气体传感器有多种分类, 本文按检测原理来分类, 分别对电化学、半导体和红外原理的气体传感器的原理、优缺点和发展趋势等进行综述[1]。
二、电化学气体传感器
电化学气体传感器是通过气体与敏感元件发生电化学反应后对外输出电流信号。气体在电极上发生电化学反应并释放电荷形成电流, 产生的电流大小与气体浓度成正比并遵循法拉第定律, 通过测定电流的大小即可测量气体的浓度[2]。
(一) 电化学气体传感器的优点
功耗低, 能满足严格防爆要求;有较好的抗干扰性能;有稳定的较高的输出性能, 测量精度高;有较好的线性特性与温度性能;传感器灵敏度不易受到环境因素的影响。
(二) 电化学气体传感器的缺点
电化学气体传感器的主要缺点是寿命短, 电化学气体传感器属于消耗型传感器, 预期寿命只有1~2年, 寿命到期后需更换。特别是在环境恶劣的情况下, 传感器的寿命将大幅下降[3]。
(三) 电化学气体传感器的发展趋势
随着电化学传感器的发展, 其研究方向为:更高灵敏度、更高稳定性、更长寿命、微型化、智能化。提高电化学气体传感器性能的一个研究方向为研究新型的电解质。近年来, 离子液体作为一种新型电解质, 其具有优良的电化学性能, 有望解决电化学气体传感器在高温、高湿下使用寿命短、稳定性差等问题[4]。
三、半导体气体传感器
半导体气体传感器按照半导体变化的物理性质, 可分为电阻型和非电阻型。电阻型的原理是气体接触半导体器件时, 其阻值会发生变化, 通过检测阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻性的原理是气体吸附在半导体器件表面并发生反应, 导致半导体的某些特性发生变化, 以此来对气体进行直接或间接检测[5]。
(一) 半导体气体传感器的优点
成本低廉, 具有响应快速、开发简便等优点, 即使在低浓度下, 灵敏度也较高, 使用寿命较长 (一般可达到5年) , 适宜于民用气体检测的需求[6]。
(二) 半导体气体传感器的缺点
氧化物半导体的纯相是广谱性敏感材料, 虽然可以通过添加催化剂或贵金属改善敏感特性, 其仍具有具有灵敏度低、选择性不好、稳定性较差、必须工作于高温下、功耗较高等缺点;另外, 每一种传感器的选择性都不是唯一的, 各器件之间的特性差异大, 输出参数是非线性的。因此, 不宜应用于计量准确要求的场所[7]。
(三) 半导体气体传感器的发展趋势
目前半导体气体传感器的研究趋势有: (1) 气敏材料的纳米化研究; (2) 氧化物气敏材料的混合体系研究。
四、红外气体传感器
非色散红外原理NDIR实现了红外原理气体检测装置的传感器化。非色散红外气体传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源, 光线穿过光路中的被测气体, 透过窄带滤波片, 到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性, 利用气体浓度与吸收强度关系 (朗伯-比尔Lambert-Beer定律) 鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置[8]。
(一) 红外气体传感器的优点
非色散红外传感器长期稳定性好、抗干扰性强、较快的响应时间、长寿命 (一般标称为>5年) 、不依赖氧气、维护成本低等优点外。
(二) 红外气体传感器的缺点
在刚刚起步的阶段, 技术不够精湛, 制造的成本比较高, 可测量气体种类较少, 在测量精度方面与电化学气体传感器还有一定的差距, 最低检测限较高, 测量ppm级别的气体浓度技术还不成熟[9]。
(三) 红外气体传感器的发展趋势
由于技术和市场方面原因, 现阶段基于NDIR的气体传感器可测量的气体种类还较少, 且不满足低浓度气体检测领域, 未来发展趋势是扩展可测量气体种类, 并在低浓度气体检测领域取得突破[10]。
五、结束语
气体传感器的研究涉及面广、难度大, 属于多学科交叉的研究领域。要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。
摘要：气体传感器是能把某种气体浓度转换成电信号的装置, 其核心是气敏元件。本文按检测原理对气体传感器进行分类, 分别对电化学、半导体和红外检测原理的气体传感器的原理、优缺点和发展趋势进行了综述。
关键词：气体传感器,原理,优缺点,发展趋势
参考文献
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