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科普|一文读懂气体传感器分类
随着人们生活水平的不断提高和对环境的日益重视,大家对周边环境中各种有毒、有害气体、室内环境污染、工业废气排放以及对食品品质监控和人体健康检测都提出了更高的要求,作为具有感知功能的电子元器件的气体传感器越来越受到关注。气体传感器通过对各种气体或气味进行实时检测和分析,帮助人们随时了解自己周边大气环境的变化。近几年随着纳米新材料、微机电技术、微纳加工技术和人工智能技术的迅速发展,人们开发出了MEMS气体传感器,其具有的小体积、低功耗、可集成和智能化的特点,使它在军事、医学、交通、环保、质检、防伪、家居等领域得到了越来越广的应用。

常见的气体传感器包括半导体气体传感器,电化学气体传感器,催化燃烧气体传感器,红外气体传感器等。不同类型的传感器由于原理和结构不同,性能、使用方法、适用气体、适用场合也不尽相同。

半导体气体传感器
半导体型气体传感器是利用半导体材料的气敏特性作为敏感元件的气体传感器,是最常见的气体传感器,广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测,适用于甲烷、液化气、氢气等的可燃气体检测。
 
半导体型气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件电阻值发生变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在物体表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力,则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等,它们被称为还原性气体。 当氧化型气体吸附到n型半导体,还原性气体吸附到p型半导体上时,将使半导体载流子减少,而使电阻增大。当还原型气体吸附到n型半导体上,氧化型气体吸附到p型半导体上时,则载流子增多,半导体阻值下降。非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器一。它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感器的制造工艺成熟,便于器件集成化,因而其性能稳定价格便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
 

具有代表性的基于金属氧化物半导体敏感材料(MOS)气体传感器已广泛应用于安全、环境、楼宇控制等领域的气体检测,该类传感器的能耗是制约其大规模布设的核心节点,MEMS技术为解决MOS气体传感器的该类问题提供了强有力的有效途迳和方案。MEMS技术的应用也为该类传感器的集成化提供坚实的基础。毫无疑问,基于MEMS的设计方案将成为未来气体传感器的主要发展方向之一。
MEMS金属氧化物半导体气敏传感器采用微机电技术的成膜工艺在硅衬底上淀积金属氧化物敏感层,利用敏感层下的电阻做加热器,利用二极管做测温元件,必要的信号电路和读出电路也可以集成在同一硅芯片上。

MEMS微气体传感器的制作工艺如图所示,其特点在于将加热电极、绝缘层和测试电极一层一层依次堆积叠加在一起。
 

MEMS气体传感器的优势在于:
(1)微型化: MEMS器件体积小,一般单个 MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。
(2)硅基加工工艺,可兼容传统 IC生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。
(3)批量生产:以单个 5mm×5mm尺寸的 MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片 8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000个 MEMS芯片,批量生产可大大降低单个 MEMS的生产成本。
(4)集成化:一般来说,单颗 MEMS往往在封装机械传感器的同时,还会集成ASIC芯片,控制 MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。
(5)多学科交叉: MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
苏州慧闻纳米科技有限公司生产的MEMS气体传感器可针对多种有毒有害气体(如甲醛、酒精、氨气、一氧化碳、氮氧化物、硫化氢、甲烷、TVOC 等)进行检测,公司开发的多通道气体传感阵列芯片及其检测系统具有功耗低、体积小、灵敏度高、选择性好、智能化、可集成等诸多优点。目前通过集成于智能手机中,使手机具有“嗅觉”功能,可对环境气体进行自动识别和定量检测。
 
MEMS 气体传感器及模组

电化学气体传感器
相当一部分的可燃性的、有毒有害气体,比如硫化氢、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等,都有电化学活性,可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应,可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学传感器正是基于这种原理。
 
电化学传感器拥有很多子类:
原电池型气体传感器
这种传感器也被称为加伏尼电池型气体传感器,或燃料电池型气体传感器、自发电池型气体传感器。他们原理与我们日常使用的干电池相同,只不过电池碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例,氧阴极被还原,电子电流表流到阳极,那里铅金属被氧化。因此电流大小与氧气浓度直接相关。这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等气体。

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,它原理与原电池型传感器不一样,电化学反应是电流强制下发生,是一种真正库仑分析传感器。这种传感器已经成功用于一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼等气体检测之中,是目前有毒有害气体检测主流传感器。

注:库仑分析是指根据电解过程中消耗的电量,由法拉第定律来确定被测物质含量的方法。

浓差电池型气体传感器
这种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检测仪。

极限电流型气体传感器
这是一种测量氧气浓度的传感器,工作原理是基于稳定氧化锌固体电解质的氧泵作用,通过气体扩散控制供给阴极的氧而得到极限电流。这种传感器目前主要用于锅炉的燃烧控制、钢水中氧气浓度检测,以及汽车的氧气检测。
催化燃烧式气体传感器
这种传感器实际上是基于铂电阻温度传感器的一种气体传感器,即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层,在一定温度下,可燃气体在表面催化燃烧,因此铂电阻温度升高,导致电阻的阻值变化。

 

由于催化燃烧式气体传感器铂电阻外通常由多孔陶瓷构成陶瓷珠包裹,因此这种传感器通常也被成为催化珠气体传感器。理论上这种传感器可以检测所有可以燃烧的气体,但实际应用中有很多例外。这种传感器通常可以用于检测空气中的甲烷、LPG、丙酮等可燃气体。

基于铂电阻优良的温度特性,这种传感器具有计量准确,响应快速。传感器输出与环境爆炸危险直接相关,安全检测领域是一类主导位传感器。

缺点是需要在充足的氧气环境中工作(毕竟需要燃烧);暗火工作,有引燃爆炸危险;大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用;由于催化剂不断消耗,零点和量程会发生漂移,需要频繁的标定和调节。


光离子化气体传感器
通常被称为PID,即Photoionization detector的缩写(仪控君在此特别提示,此PID不是比例微分积分)。这是一种具有极高灵敏度,用途广泛的检测器,可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物,PID对挥发性有机化合物灵敏度很高。
 
PID使用了一个紫外光源,通过离子化,即将有机物分子电离成可被检测器检测到的正负离子,检测器捕捉到离子化了的气体的正负电荷,并将其转化为电流信号实现气体浓度的测量。当被测气体吸收高能量的紫外光时,气体分子受紫外光的激发暂时失去电子成为带正电荷的离子,气体离子在检测器的电极上被测出,根据电极产生的电位检测出气体浓度,检测后,离子很快又与电子结合重新组成原来的气体分子。

PID可检测芳香烃类、酮类、醛类、氯代烃类、胺及胺类化合物和不饱和烃类。

红外气体传感器

这种传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端,当有气体时,对红外光产生吸收,接收到的红外光就会减少,从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器,使检测更准确、可靠。

它的优点是:选择性好,只检测特定波长的气体,可以根据气体定制;采用光学检测方式,不易受有害气体的影响而中毒、老化;响应速度快、稳定性好;利用物理特性,没有化学反应,防爆性好;信噪比高,抗干扰能力强;使用寿命长;测量精度高。

缺点是:测量范围窄,只能检测(c1。c5)的碳氢化合物;怕灰尘、潮湿,现场环境要好,需要定期对反射镜面上的灰尘进行清洁维护;现场有气流时无法检测;价格较高。
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