第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

人類文明的高度發(fā)展造成的環(huán)境破壞是21世紀(jì)所面臨的一個(gè)嚴(yán)肅而尖銳的問題。為了自身的生存發(fā)展，對大氣環(huán)境中污染物的排放進(jìn)行嚴(yán)格控制成為全世界人民的共同呼聲。因此，開發(fā)有效的氣體檢測設(shè)備已成為當(dāng)務(wù)之急。

電化學(xué)式傳感器既能滿足一般檢測中對靈敏度和準(zhǔn)確性的需要，又具有體積小、操作簡單、檢測速度快、準(zhǔn)確、攜帶方便、可用于現(xiàn)場監(jiān)測和連續(xù)檢測、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以，在目前已有的各類氣體檢測設(shè)備中，電化學(xué)傳感器占有很重要的地位，越來越引起國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注和成為競相研發(fā)的熱點(diǎn)項(xiàng)目之一。

我國電化學(xué)氣體傳感器研發(fā)起步較晚，一些核心技術(shù)還受制于國外某些國家，所需傳感器幾乎依賴進(jìn)口。為此，不斷強(qiáng)化電化學(xué)傳感器核心技術(shù)的突破，盡快研發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的電化學(xué)氣體傳感器，成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)急需解決的重要課題之一。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

電化學(xué)式氣體傳感器是依據(jù)氣體的電化學(xué)氧化和還原的原理制備的，他的原理是與我們的電池幾乎相同。比如，我們檢測一氧化碳，CO在電解池的陽極被氧化成二氧化碳，而電解電流與CO的濃度有關(guān)。電化學(xué)傳感器準(zhǔn)確而靈敏，但是，由于大量使用貴金屬，另外制作工藝復(fù)雜，因此價(jià)格較高。

各種傳感器的工作原理：

1、恒電位電解式氣體傳感器

恒電位電解式氣體傳感器的原理是：使電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進(jìn)行電解，通過改變其設(shè)定電位，有選擇的使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。對特定氣體來說，設(shè)定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解時(shí)作用電極的材質(zhì)、電解質(zhì)的種類不同而變化。

以CO氣體檢測為例來說明這種傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，在容器內(nèi)的相對兩壁，安置作用電極和對比電極，其內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液構(gòu)成一密封結(jié)構(gòu)，再在作用電極和對比電極之間加以恒定電位差而構(gòu)成恒壓電路。透過隔膜（多孔聚四氟乙烯膜）的CO氣體，在作用電極上被氧化，而在對比電極上O2被還原，于是CO被氧化而形成CO2。根據(jù)作用電極和對比電極之間的電流值就可知CO氣體的濃度。這種方式的傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和毒性氣體，如H2S、NO、NO2、SO2、HCl、Cl2、PH3等。

恒電位電解式氣體傳感器的基本構(gòu)造

2、伽伐尼電池式氣體傳感器

伽伐尼電池式氣體傳感器與上述恒電位電解式一樣，通過測量電解電流來檢測氣體濃度。但由于傳感器本身就是電池，所以不需要由外界施加電壓。這種傳感器主要是用于O2的檢測，檢測缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感器。適用于恒電位電解式氣體傳感器的電解電流與氣體濃度的關(guān)系式也適用于這種傳感器。

以O(shè)2檢測為例來說明這種傳感器的構(gòu)造和原理。其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，在塑料容器內(nèi)的一側(cè)安置厚10μm～30μm的透氧性好的PTFE（聚四氟乙烯）膜，靠近該膜的內(nèi)面設(shè)置陰極（Pt、Au、Ag等），在容器中其它內(nèi)壁或容器內(nèi)空間設(shè)置陽極（Pb、Cd等離子化傾向大的賤金屬），用KOH、KHCO3作為電解質(zhì)溶液。檢測較高濃度（1～100%）的O2時(shí)，可以用PTFE膜；而檢測低濃度（數(shù)ppm～數(shù)百ppm）氣體，則用多孔聚四氟乙烯。通過隔膜的O2，溶解于隔膜與陰極之間的電解質(zhì)溶液薄層中，當(dāng)此傳感器的輸出端接上具有一定電阻的負(fù)載電路時(shí)，在陰極上發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)，在陽極進(jìn)行氧化反應(yīng)，陽極的鉛被氧化成氫氧化鉛（一部分進(jìn)而被氧化成氧化鉛）而消耗，因此，負(fù)載電路中有電流流動(dòng)。此電流在負(fù)載電路的兩端產(chǎn)生電壓變化，將此電壓變化放大則可表示濃度。

伽伐尼電池式氣體傳感器的構(gòu)造

3、離子電極式氣體傳感器

離子電極式氣體傳感器的工作原理是：氣態(tài)物質(zhì)溶解于電解質(zhì)溶液并離解，離解生成的離子作用于離子電極產(chǎn)生電動(dòng)勢，將此電動(dòng)勢取出以代表氣體濃度。這種方式的傳感器是由作用電極、對比電極、內(nèi)部溶液和隔膜等構(gòu)成的。

現(xiàn)以檢測NH3傳感器為例說明這種氣體傳感器的工作原理。其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，作用電極是可測定pH值的玻璃電極，參比電極是Ag/AgCl電極，內(nèi)部溶液是NH4Cl溶液。NH4Cl離解，產(chǎn)生銨離子NH4+，同時(shí)水也微弱離解，生成氫離子H+，而NH4+與H+保持平衡。

將傳感器放入NH3中，NH3將透過隔膜向內(nèi)部浸透，[NH3]增加，而[H+]減少，即pH值增加。通過玻璃電極檢測此pH值的變化，就能知道NH3濃度。除NH3外，這種傳感器還能檢測HCN（氰化氫）、H2S、SO2、CO2等氣體。

離子電極式氣體傳感器的構(gòu)造（檢測氨氣的傳感器為例）

4、電量式氣體傳感器

電量式氣體傳感器的原理是：被測氣體與電解質(zhì)溶液反應(yīng)生成電解電流，將此電流作為傳感器輸出來檢測氣體濃度，其作用電極、對比電極都是Pt電極。

現(xiàn)以檢測Cl2為例來說明這種傳感器的工作原理。將溴化物MBr（M是一價(jià)金屬）水溶液介于兩個(gè)鉑電極之間，其離解成Br-，同時(shí)水也微弱地離解成H+，在兩鉑電極間加上適當(dāng)電壓，電流開始流動(dòng)，后因H+反應(yīng)產(chǎn)生了H2，電極間發(fā)生極化，電流停止流動(dòng)。此時(shí)若將傳感器與Cl2接觸，Br-被氧化成Br2，而Br2與極化而產(chǎn)生的H2發(fā)生反應(yīng)，其結(jié)果，電極部分的H2被極化解除，從而產(chǎn)生電流。該電流與Cl2濃度成正比，所以測量該電流就能檢測Cl2濃度。除Cl2外，這種方式的傳感器還可以檢測NH3、H2S等氣體。

5、濃差電池式氣體傳感器

濃差電池式氣體傳感器是基于固體電解質(zhì)產(chǎn)生的濃差電勢來進(jìn)行測量的，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。濃差式ZrO2氧傳感器是比較成熟的產(chǎn)品，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，特別是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制中。

濃差電池式氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)

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簡單擴(kuò)散法，或是將氣體吸入檢測器。

簡單擴(kuò)散是利用氣體自然向四處傳播的特性。目標(biāo)氣體穿過探頭內(nèi)的傳感器，產(chǎn)生一個(gè)正比于氣體體積分?jǐn)?shù)的信號。由于擴(kuò)散過程漸趨減慢，所以擴(kuò)散法需要探頭的位置非常接近于測量點(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。將測量點(diǎn)的氣體樣本引到測量探頭可能經(jīng)過一段距離，距離的長短主要是根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)，但采樣線較長會(huì)加大測量滯后時(shí)間，該時(shí)間是采樣線長度和氣體從泄漏點(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)在采樣管壁上而減少。

氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類。從工作原理、特性 分析 到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應(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)的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的 研究 和開發(fā)也越來越重要。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。

1、新氣敏材料與制作工藝的 研究 開發(fā)

對氣體傳感器材料的 研究 表明，金屬氧化物半導(dǎo)體材料ZnO，SnO2，F(xiàn)e2O3等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面?，F(xiàn)在這方面的工作主要有兩個(gè)方向：一是利用化學(xué)修飾改性方法，對現(xiàn)有氣體敏感膜材料進(jìn)行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高氣體傳感器的穩(wěn)定性和選擇性；二是研制開發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。由于有機(jī)高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，已成為 研究 的熱點(diǎn)。

2、氣體傳感器智能化

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