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束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動的狀態(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pkT:費(fèi)米能級轉(zhuǎn)換

傳導(dǎo)電子分布

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，工作電極和對電極上分別發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)(1)，使工作電極和對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)。由于在對電極上只發(fā)生了式(1)反應(yīng) ，所以對電極的電位仍然是E1。因此，這樣的電位差型(混合電位型)傳感器的靈敏信號可以由EM - E1給出，EM - E1信號與空氣中CO濃度的對數(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，它們在對電極上被式(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，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濃度的氣體對輸出電流進(jìn)行校準(zhǔn)，本傳感器就可用于對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)對象氣體的分子振動，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數(shù)與紅外線的能級處于同一個(gè)光譜范疇，紅外線與分子的固有振動數(shù)發(fā)生共振后，在分子振動時(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。對于NDIR式氣體傳感器來說，對象氣體的吸光度ε與光程d是不變的，在與成為對象的氣體吸收能（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。