电化学气体传感器的工作原理

Posted 2021-07-19 三明治开发社区

目前，气体传感器的应用日趋广泛，在物联网等泛在应用的推动下，其技术发展方向开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。其中工业领域就是气体传感器一个应用领域，用以使人员和设备免受危险气体导致的直接和间接威胁。无论是使用便携式气体报警器还是固定式气体检测仪，对于确保设备在其使用年限内安全运转有可能造成的巨大成本问题，用户必然有着深切体会。而在工业领域应用较多的是电化学气体传感器。今天就给大家简单介绍一下几种电化学气体传感器的相关知识。

电化学式气体传感器

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。电化学气体传感器正是基于这种原理。

以一氧化碳为例，当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为： CO+H2O→CO2+2H++2e-

在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为： 1/2O2+2H++2e-→H2O

因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为： 2CO+O2 →2CO2

这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。 但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。

半导体式气体传感器

这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。例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。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。

本文参考自炜盛科技