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科普|一文讀懂氣體傳感器分類
隨著人們生活水平的不斷提高和對環境的日益重視,大家對周邊環境中各種有毒、有害氣體、室內環境污染、工業廢氣排放以及對食品品質監控和人體健康檢測都提出了更高的要求,作為具有感知功能的電子元器件的氣體傳感器越來越受到關注。氣體傳感器通過對各種氣體或氣味進行實時檢測和分析,幫助人們隨時了解自己周邊大氣環境的變化。近幾年隨著納米新材料、微機電技術、微納加工技術和人工智能技術的迅速發展,人們開發出了MEMS氣體傳感器,其具有的小體積、低功耗、可集成和智能化的特點,使它在軍事、醫學、交通、環保、質檢、防偽、家居等領域得到了越來越廣的應用。

常見的氣體傳感器包括半導體氣體傳感器,電化學氣體傳感器,催化燃燒氣體傳感器,紅外氣體傳感器等。不同類型的傳感器由于原理和結構不同,性能、使用方法、適用氣體、適用場合也不盡相同。

半導體氣體傳感器
半導體型氣體傳感器是利用半導體材料的氣敏特性作為敏感元件的氣體傳感器,是最常見的氣體傳感器,廣泛應用于家庭和工廠的可燃氣體泄露檢測,適用于甲烷、液化氣、氫氣等的可燃氣體檢測。
 
半導體型氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化還原反應導致敏感元件電阻值發生變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩定狀態,在氣體接觸半導體表面而被吸附時,被吸附的分子首先在物體表面自由擴散,失去運動能量,一部分分子被蒸發掉,另一部分殘留分子產生熱分解吸附在物體表面。當半導體的功函數小于吸附分子的親和力,則吸附分子將從器件奪走電子而變成負離子吸附,半導體表面呈現電荷層。如果半導體的功函數大于吸附分子的離解能,吸附分子將向器件釋放出電子,而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有氫氣、一氧化碳等,它們被稱為還原性氣體。 當氧化型氣體吸附到n型半導體,還原性氣體吸附到p型半導體上時,將使半導體載流子減少,而使電阻增大。當還原型氣體吸附到n型半導體上,氧化型氣體吸附到p型半導體上時,則載流子增多,半導體阻值下降。非電阻型氣體傳感器也是半導體氣體傳感器一。它是利用mos二極管的電容-電壓特性的變化以及mos場效應晶體管的閾值電壓變化等特性而制成的氣體傳感器。由于這類傳感器的制造工藝成熟,便于器件集成化,因而其性能穩定價格便宜。利用特定材料還可以使傳感器對某些氣體特別敏感。
 

具有代表性的基于金屬氧化物半導體敏感材料(MOS)氣體傳感器已廣泛應用于安全、環境、樓宇控制等領域的氣體檢測,該類傳感器的能耗是制約其大規模布設的核心節點,MEMS技術為解決MOS氣體傳感器的該類問題提供了強有力的有效途逕和方案。MEMS技術的應用也為該類傳感器的集成化提供堅實的基礎。毫無疑問,基于MEMS的設計方案將成為未來氣體傳感器的主要發展方向之一。
MEMS金屬氧化物半導體氣敏傳感器采用微機電技術的成膜工藝在硅襯底上淀積金屬氧化物敏感層,利用敏感層下的電阻做加熱器,利用二極管做測溫元件,必要的信號電路和讀出電路也可以集成在同一硅芯片上。

MEMS微氣體傳感器的制作工藝如圖所示,其特點在于將加熱電極、絕緣層和測試電極一層一層依次堆積疊加在一起。
 

MEMS氣體傳感器的優勢在于:
(1)微型化: MEMS器件體積小,一般單個 MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位,重量輕、耗能低。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優點。 MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面傳感器的敏感程度。
(2)硅基加工工藝,可兼容傳統 IC生產工藝:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢,同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。
(3)批量生產:以單個 5mm×5mm尺寸的 MEMS傳感器為例,用硅微加工工藝在一片 8英寸的硅片晶元上可同時切割出大約 1000個 MEMS芯片,批量生產可大大降低單個 MEMS的生產成本。
(4)集成化:一般來說,單顆 MEMS往往在封裝機械傳感器的同時,還會集成ASIC芯片,控制 MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。同時不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統。
(5)多學科交叉:?MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。
蘇州慧聞納米科技有限公司生產的MEMS氣體傳感器可針對多種有毒有害氣體(如甲醛、酒精、氨氣、一氧化碳、氮氧化物、硫化氫、甲烷、TVOC 等)進行檢測,公司開發的多通道氣體傳感陣列芯片及其檢測系統具有功耗低、體積小、靈敏度高、選擇性好、智能化、可集成等諸多優點。目前通過集成于智能手機中,使手機具有“嗅覺”功能,可對環境氣體進行自動識別和定量檢測。
 
MEMS 氣體傳感器及模組

電化學氣體傳感器
相當一部分的可燃性的、有毒有害氣體,比如硫化氫、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等,都有電化學活性,可以被電化學氧化或者還原。利用這些反應,可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學傳感器正是基于這種原理。
 
電化學傳感器擁有很多子類:
原電池型氣體傳感器
這種傳感器也被稱為加伏尼電池型氣體傳感器,或燃料電池型氣體傳感器、自發電池型氣體傳感器。他們原理與我們日常使用的干電池相同,只不過電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例,氧陰極被還原,電子電流表流到陽極,那里鉛金屬被氧化。因此電流大小與氧氣濃度直接相關。這種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。

恒定電位電解池型氣體傳感器
這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效,它原理與原電池型傳感器不一樣,電化學反應是電流強制下發生,是一種真正庫侖分析傳感器。這種傳感器已經成功用于一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼等氣體檢測之中,是目前有毒有害氣體檢測主流傳感器。

注:庫侖分析是指根據電解過程中消耗的電量,由法拉第定律來確定被測物質含量的方法。

濃差電池型氣體傳感器
這種傳感器具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側,會自發形成濃差電動勢,電動勢的大小與氣體的濃度有關,這種傳感器的成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型二氧化碳檢測儀。

極限電流型氣體傳感器
這是一種測量氧氣濃度的傳感器,工作原理是基于穩定氧化鋅固體電解質的氧泵作用,通過氣體擴散控制供給陰極的氧而得到極限電流。這種傳感器目前主要用于鍋爐的燃燒控制、鋼水中氧氣濃度檢測,以及汽車的氧氣檢測。
催化燃燒式氣體傳感器
這種傳感器實際上是基于鉑電阻溫度傳感器的一種氣體傳感器,即在鉑電阻表面制備耐高溫催化劑層,在一定溫度下,可燃氣體在表面催化燃燒,因此鉑電阻溫度升高,導致電阻的阻值變化。

 

由于催化燃燒式氣體傳感器鉑電阻外通常由多孔陶瓷構成陶瓷珠包裹,因此這種傳感器通常也被成為催化珠氣體傳感器。理論上這種傳感器可以檢測所有可以燃燒的氣體,但實際應用中有很多例外。這種傳感器通??梢杂糜跈z測空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃氣體。

基于鉑電阻優良的溫度特性,這種傳感器具有計量準確,響應快速。傳感器輸出與環境爆炸危險直接相關,安全檢測領域是一類主導位傳感器。

缺點是需要在充足的氧氣環境中工作(畢竟需要燃燒);暗火工作,有引燃爆炸危險;大部分元素有機蒸汽對傳感器都有中毒作用;由于催化劑不斷消耗,零點和量程會發生漂移,需要頻繁的標定和調節。


光離子化氣體傳感器
通常被稱為PID,即Photoionization detector的縮寫(儀控君在此特別提示,此PID不是比例微分積分)。這是一種具有極高靈敏度,用途廣泛的檢測器,可以檢測從10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發性有機物和其他有毒氣體。許多有害物質都含有揮發性有機化合物,PID對揮發性有機化合物靈敏度很高。
 
PID使用了一個紫外光源,通過離子化,即將有機物分子電離成可被檢測器檢測到的正負離子,檢測器捕捉到離子化了的氣體的正負電荷,并將其轉化為電流信號實現氣體濃度的測量。當被測氣體吸收高能量的紫外光時,氣體分子受紫外光的激發暫時失去電子成為帶正電荷的離子,氣體離子在檢測器的電極上被測出,根據電極產生的電位檢測出氣體濃度,檢測后,離子很快又與電子結合重新組成原來的氣體分子。

PID可檢測芳香烴類、酮類、醛類、氯代烴類、胺及胺類化合物和不飽和烴類。

紅外氣體傳感器

這種傳感器利用氣體對特定頻率的紅外光譜的吸收作用制成。紅外光從發射端射向接收端,當有氣體時,對紅外光產生吸收,接收到的紅外光就會減少,從而檢測出氣體含量。目前較先進的紅外式采用雙波長、雙接收器,使檢測更準確、可靠。

它的優點是:選擇性好,只檢測特定波長的氣體,可以根據氣體定制;采用光學檢測方式,不易受有害氣體的影響而中毒、老化;響應速度快、穩定性好;利用物理特性,沒有化學反應,防爆性好;信噪比高,抗干擾能力強;使用壽命長;測量精度高。

缺點是:測量范圍窄,只能檢測(c1。c5)的碳氫化合物;怕灰塵、潮濕,現場環境要好,需要定期對反射鏡面上的灰塵進行清潔維護;現場有氣流時無法檢測;價格較高。
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