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[行业交流] 一氧化碳气体传感器研究现状 [复制链接]

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发表于 2017-7-17 10:09:28 |显示全部楼层

1964年,由Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了第一个气敏传感器,1982年英国Warwick大学的Persaud等提出了利用气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构,自此后气体传感器飞速发展,应用于各种场合,比如气体泄漏检测,环境检测等。现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气体,研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。

对CO气体检测的适用方法有比色法、半导体法、电化学气体传感器检测法、红外吸收探测法等。
比色法是根据CO气体是还原性气体,能使氧化物发生反应,因而使化合物颜色改变,通过颜色变化来测定气体的浓度,这种传感器的主要优点是没有电功耗。
半导体CO传感器是目前实际使用最多的CO气敏传感器,通过溶胶—凝胶法获得SnO2基材料,在基材料中掺杂金属催化剂来测定气体。现国外有研究对SnO2基材料中掺杂Pt、Pd、Au等,并发现当传感器工作在220οC时,在SnO2中掺杂2%的Pt时,传感器对CO具有最大的敏感度。其原理是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。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而固定在吸附处时,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电子,而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等,被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时,载流子增多,使半导体电阻值下降。从而接通电路,发出信号。
CO电化学气体传感器敏感电极如常用的金属材料电化学电极有Pt、Au、W、Ag、Ir、Cu等过渡金属元素,这类元素具有空余的d、f电子轨道和多余的d、f电子,可在氧化还原的过程中提供电子空位或电子,也可以形成络合物,具有较强的催化能力。又研制了一种新型的CO电化学式气体传感器,即把多壁碳纳米管自组装到铂微电极上,制备多壁碳纳米管粉末微电极,以其为工作电极, Ag/AgCl为参比电极,Pt丝为对比电极,多孔聚四氟乙烯膜作为透气膜制成传感器,对CO具有显著的电化学催化效应,其响应时间短,重复性好。
CO气体传感器与报警器配套使用,是报警器中的核心检测元件,它是以定电位电解为基本原理。当一氧化碳扩散到气体传感器时,其输出端产生电流输出,提供给报警器中的采样电路,起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时,气体传感器的输出电流也随之成正比变化,经报警器的中间电路转换放大输出,以驱动不同的执行装置,完成声、光和电等检测与报警功能,与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。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+2O2→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。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。为了维持极间电位的恒定,我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中,其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应,因此,它可以使极间的电位维持恒定(即恒电位),此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时,其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小,便可检测出一氧化碳的浓度,并且有很宽的线性测量范围。这样,在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路,就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。
利用CO气体近红外吸收机理,研究了一种光谱吸收型光纤CO气体传感器,该仪器检测灵敏度可达到0.2*10-6。另一种光学型传感器是用溶胶—凝胶盐酸催化法和超声制得SiO2 薄膜,将薄膜浸入氯化钯、氯化铜混合溶液,匀速提拉,干燥后制得敏感膜,利用钯盐与CO反应,生成钯单质,引起吸光度变化。
现知国外有研究,采用超频率音响增强电镀铁酸盐方法获得磁敏感膜,磁饱和度和矫顽磁力决定对气体的响应敏感度。当温度加热到85οC时,得到最大响应,检测范围333ppm~5000ppm。
深圳市工采网有限公司提供电化学原理的CO传感器TGS5042,该产品广泛应用于:家用、商用CO检测仪,室内停车场通风控制,火灾报警器
TGS5042的特点:
* 可电池驱动
* 对一氧化碳选择性/重复性高
* 对一氧化碳具有很高的线性输出特性
* 免标定
* 使用寿命长,达到7年
* 取得UL认证
* 满足UL2034, EN50291与RoHS的要求
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