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气体传感器的分类分析概述

1.1简述

气体传感器作为一种常用的检测气体的环境中有毒、有害、易燃易爆的装置。在人们的常规的工作场所中以及人类的居家生活、旅游出行中都有着不可替代的作用。它在环境保护，日常家庭生活安全，工业生产，军事领域都有着重大的作用。而在各种气体传感器中，半导体式气体传感器由于其自身体积小，工作温度低，响应快等特点而被研究的最为广泛[4]。

通过对不同种类的气体产生不同的物理或是化学反应而产生不同的电信号来反应气体的浓度及种类。而按照传感器的检测机理来分，可细分为电化学式、固体电解质式、半导体式以及磁学式光学气体传感器。

1.2气体传感器的分类

（1）半导体气体传感器

半导体气体传感器的作用机理是待测气体在通过金属氧化物接触的时候会与金属氧化物表面的化学吸附吸附氧负离子（O2-）发生反应，从而导致金属氧化物表面的电子或是空穴的浓度发生变化，使得传感器的能带向下或者向上弯曲，从而产生空穴积聚层（HAL）或是电子耗竭层（EDL），进而使金属氧化物的阻值发生变化，阻值的变化会转变为电信号，从而实现对气体的检测。而这当中具有代表性的金属氧化物气敏材料以主要以ZnO、SnO2、Co3O4为代表[5]。

半导体气体传感器的工作原理是待测气体通过热分解在金属氧化物表面发生化学吸附，从而使材料的电子浓度发生变化，进而使材料的电阻发生变化从而实现对待测气体的检验。

（2）电化学气体传感器

电化学气体传感器主要是由一个电解池组成，这个电解池包括有可以与周围空气接触的阴极、阳极以及电解液封装而成的电化学电池，其工作原理是在电极两端施加恒定的电压之后，当待测气体在通过电解池的阴极端时会与电解池的阴极发生还原反应，或当待测气体通过电解池的阳极端会与电解池的阳极发生氧化反应，所产生的电流和气体浓度呈正比通过检测在阴极或者阳极反应过程中电流的大小从确定待测气体的浓度[6]。

（3）固体电解质传感器

固体电解质传感器是由固态的电解质组成，它是由气体在高温情况下具有高导电性，气体通过电解质时会产生离子，从而产生电动势。传统的固体电解质传感器的电解质主要以稳定氧化钇和掺杂氧化铈等固体电解质，钠超离子导体（NASICON）是近些年来研究较为广泛的一种新的固体电解质[7]。

（4）光学气体传感器

光学气体传感器是通过对待测气体的吸收光谱了检测待测气体的，主要由化学发光法和荧光法组成，化学发光法是的原理为待测气体与化学试剂发生化学反应，然后与已有气体发生化学发光反应进而检测待测气体的含量。荧光法是通过引入荧光剂，使待测气体与荧光剂发生化学反应，生成与荧光剂不同的话发光物质进而检测气体的含量[8]。

1.3半导体式气体传感器的性能指标

不论任何种类的气体传感器都有一个固定的评判它们的标准，判断一个气体传感器的好坏主要是参考它的响应-恢复时间，灵敏度，稳定性，选择性以及最低工作温度[9]。

（1）灵敏度

灵敏度是一种描述当气体传感器暴露在空气中时向外界输出的电阻值与当气体传感器暴露在目标气体中时向外界输出的电阻值的比值，它反映了气体传感器对待测气体的敏感程度，是衡量气体传感器的重要指标。用S来表示，在一定范围内，待测气体的浓度越大，起敏感值越高。通常还原性气体的的敏感度（S）用以下两个式子表示

S=Ra/Rg（n型）（1-1）

S=Rg/Ra（p型）（1-2）

式中：Ra传感器在空气中的电阻值，?

Rg传感器在测试气体的电阻值，?

（2）稳定性

稳定性是指在连续多次的测试之下，气体传感器能够保持敏感度（S）没有明显的变化，且不易受到外界环境的干扰。气体传感器的稳定性越好，代表气体传感器性能越优异。

（3）选择性

选择性是指气体传感器只对目标气体有较大的响应，对其他非目标气体没有响应或是响应不大，可以忽略不计。选择性的好坏影响了气体传感器受到其他气体的干扰程度。

（4）最低工作温度

最低工作温度是指气体传感器在保证到达最大响应的百分之九十的情况下所需的最低温度，气体传感器的正常工作的最低温度越低，检测的效率就越高。由于大多数的气体传感器无法在室温下正常工作往往都需要一定的高温才能正常工作。因此，往往需要装备复杂的加热和温度控制装置，以实现稳定的测试温度。因此，这严重限制了传感器的应用场景。所以气体传感器的正常工作最低温度越低，气体传感器的性能越优异，尤其是在某些易燃易爆的气体检测中，工作温度越低越安全，能够避免更多不必要的损失。

（5）响应-恢复时间

气体传感器的响应时间是指气体传感器在接触待测气体后向空气输出电阻与向待测气体