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气体传感器基本知识传感器是对信息有感受的器件。按照传感器感知的信息种类分类：传感器分为物理量（物理信息）传感器、化学量（化学信息）传感器、生物量（生物信息）传感器。物理量传感器包括:力学量，光学量，热学量，电学量传感器。即力、光、热、电。力学量中常见:压力，加速度，位移；光学量中常见:可见光，红外，紫外。热学量中常见:低温，中温，高温。电学量中常见:电流，电压，电场，电磁等；化学量传感器:成份、浓度。生物量传感器:血压、血糖、血脂、心率等。按照传感过程中信息和传感器的作用过程的属性分类：传感器可以分为物理类、化学类、生物类气体传感器是测量气体成分和浓度的化学量传感器。气体传感器按气体与传感器的作用方式分类:物理类，化学类、生物类。物理类即传感作用过程是物理过程，即传感作用过程不导致气体化学性质发生变化。化学类即传感作用过程是化学过程，即传感作用过程导致气体化学性质发生变化。生物类即传感作用过程是生物过程，即传感作用过程通过生物活动导致气体化学性质发生变化。常见的物理类气体传感器:热传导、红外吸收，表面声波，QCM等；化学类:半导体，催化，电化学等;生物类在普通工业、家庭不太常用。在常见的气体传感器PID严格讲是另类:为物理化学类。即物理方法导致化学变化。气体传感器门类众多，一下进介绍几种常见的不同工作原理的气体传感器半导体气体传感器：原理:在一定的温度条件下，被测气体到达半导体敏感材料表面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系，通过测量电阻的变化即可测得气体浓度。单支半导体气体传感器通过选择性催化、物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。大规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确识别。半导体顾名思义是电导率介于绝缘体与导体之间的物质。半导体气体传感器的敏感材料就这么一种物质。常见的气体敏感材料分为表面控制型和体控制型。表面控制即电阻由晶粒表面和晶粒晶界控制，体控制即电阻由晶粒尺寸和载流子浓度控制。用于气体传感器的半导体材料除具有半导体的属性外还需要具备以下条件:a、易获得，b、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力；c、自身有良好催化特性；d、机械结构可调；e、电性能可调；f、烧结性能好；g、氧气和被测气体在室温或一定的温度条件下，在其表面有很好的化学反应能力、并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力；h、与其它辅助材料成型后有较好的相融性、化学稳定性、并有适合的微缺陷等。符合这种条件的常见材料二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。这里最重要的概念与性能的对应关系:温度-功耗、漂移;吸附及化学反应-灵敏度、选择性、漂移、线性、初始稳定时间以及响应时间;脱附-恢复时间。半导体传感器的优点：廉价、耐用、设计及制造过程简单。半导体传感器的弱点:功耗大、漂移、线性差。无论其优点还是弱点均与上述对应关系相关。如漂移:传感器会吸附氧气，当氧气浓度变化时(如雨天，氧浓度变小)，吸附量会变化，零点必会漂啊漂。总之半导体传感器的优缺点首先是由其工作原理决定的，是先天的。后天的设计、制造可以改善，但不能消除。红外气体传感器:原理:由不同原子构成的分子会有独特的振动、转动频率，当其受到相同频率的红外线照射时,就会发生红外吸收，从而引起红外光强的变化，通过测量红外线强度的变化就可以测得气体浓度；需要说明的是振动、转动是两种不同的运动形态，这两种运动形态会对应不同的红外吸收峰，振动和转动本身也有多样性；因此一般情况下一种气体分子会有多个红外吸收峰；根据单一的红外吸收峰位置只能判定气体分子中有什么基团，精确判定气体种类需要看气体在中红外区所有的吸收峰位置即气体的红外吸收指纹。但在已知环境条件下，根据单一红外吸收峰的位置可以大致判定气体的种类。由于在零下273摄氏度即绝对零度以上的一切物质都会产生红外幅射，红外幅射与温度正相关，因此，同催化元件一样，为消除环境温度变化引起的红外幅射的变化，红外气体传感器中会由一对红外探测器构成。一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。为什么红外气体传感器不能测量氧气、氢气、氮气等由相同原子构成的气体分子?月亮和地球、地球和太阳靠万有引力连接，分子内部原子间靠化学键连接。如果二者是理想球体而且没有其它万有引力干扰则地球轨道将是圆的，实际上上面两个条件都不成立，因此其轨道是椭圆的，也就是地球和太阳之间的距离不停地在短半径和长半径之间转换，即振动，只是振动周期长达一年，在这个过程中，地球处于短半径点和长半径点时，它和太阳之间的引力是不同的，即能量级别不同。在分子内部原子间靠化学键连接，原子间的空间距离、角度、方向由于电子分布的不均衡而不停发生变化，即振动、转动，而且不同的分子会有独特的振动、转动频率,当遇到相同频率的红外线照射时会产生谐振、原子间距离和电子分布发生变化即偶极距发生变化，红外吸收就是这样产生的(紫外吸收同理)。以上内容中包含红外吸收的两个基本条件:谐振、偶极距变化。这两个条件同时满足才能产生红外吸收。氧气、氢气、氮气等由同一种原子构成的分子为什么没有红外吸收峰:两个基本条件一是气体分子振动频率与照射的红外线频率相同，二是偶极距变化。不难理解，第一个条件容易满足，第二个条件无可能性。相同原子构成的分子正负电荷中心完全重叠，即偶极距为零，其结果是电子在分子中的分布是均衡的，以红外光本身的低能量密度特征，其照射不会改变这种均衡，更不可能使分子电离，即不会导致能量变化。而不同原子构成的分子:以水(蒸气)分子为例,分子中电子的分布偏向氧这端，即微观上水分子中氢那一端呈正电性,氧那一端呈负电性，正负电荷中心是不重叠的，即偶极矩不为零。这是因为氧吸引电子的能力比氢强的缘故。在与水分子振动、转动频率相同的红外线照射时，会使电子在水分子中的分布更偏向氧一端，导致氢和氧的平均距离变短，即偶极距变短，能量变高，即水分子受到红外照射时会从低能级跃迁到高能级，红外吸收就是这样产生的。可以这样去简单理解:红外线与相同原子组成的分子相遇时，由于相同原子组成的分子是理想的弹性球体，两者的相互作用是完全弹性碰撞，只有能量交换，没有能量转移。不同原子组成的分子与红外线相互作用则有能量转移。因此，红外吸收原理不能测相同原子构成的分子。红外吸收原理只能测不同原子构成的分子。由于同一分子内部运动的多样性使其具多种不同的振动频率和转动频率，因此，对红外吸收的分子会有多个吸收峰；另外，具有相同化学键的分子(如水和酒精分子中的氢氧键)会有相近的吸收峰，干扰由此产生。非色散红外吸收气体传感器:非色散:白光通过三棱镜会被分为七色光即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。这个三棱镜就是一个分光系统，能把7色光分开。有分光系统的光学系统即色散型光学系统,无分光系统的光学系统即非色散性。非色散系统简易、可靠、小巧、廉价。平时我们感受到的白光、紫外、紅外光都是不同频率、波长混合成的光；而单频率、单波长的光即单色光。前面讲到只有红外线的频率和气体分子振动、转动频率相同时才会产生红外吸收，理论上在设计气体传感器时，我们希望用单色光去照射气体或者照射后我们用设置光栅(滤光片)的办法获得单色光。非色散红外气体传感器通常由光源、光学腔体、滤光片(光栅)、探测器和信号调理电路构成，在传感器中滤光片和探测器是一体的。红外气体传感器优点:1、除了相同原子組成的气体，所有气体都可以测。2、全量程。3、传感过程本身不会干扰传感。缺点:1、昂贵。红外气体传感器本质上是红外幅射导致探测器温度变化进而是电性能变化的温度传感器，传感过程复杂。要求系统有如下特征:光源必须有稳定的红外幅射；光学腔体物理化学性质稳定；滤光片及红外探测器稳定。这些问题，合理的工艺技术本身能较好的解决，但是制造成本高，导致价格昂贵。2、在普通的以宽频红外光源加滤光片加探测器设计中，滤光片本身不能实现理想的选择性滤光，因此干扰尤其是水的干扰一直存在。选择性的问题深层原因在于很多不同的气体分子会有相同的化学键，即有相近甚至重叠的红外吸收。3、粉尘、背景幅射、强吸附及气、液、固易发生转换的检测对象都会对检测结果造成影响。近红外:波长0.7um~2.0um；中红外:波长2.0um~15um。气体吸收峰:每一种气体的吸收峰不止一个如:甲烷在近红外1.3um，1.65um；中红外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等处都有吸收峰。激光光源:最接近单色光的光源。我们大概容易想到，同一气体分子的振动、转动的多样性导致其有多个吸收峰；含有相同化学键的分子会有相近的吸收峰。因此红外传感器的技术发展路径很清楚:单色光源、集成化、微型化、低功耗。目前最大的问题:近红外区只有个别波长有较廉价的激光器做单色光，而且在近红外区气体吸收较弱。在气体对红外的强吸收区中红外区，激光器制造工艺复杂，激光材料、理论及器件未有商业价值突破，导致中红外激光器极昂贵。这严重限制了红外气体传感器在复杂环境下的应用。在常见的气体中目前二氧化碳是红外原理最强的应用,也是基于节能的最具商业前景的应用；其次是甲烷。催化燃烧式气体传感器:原理:一般由线径15um或20um或30um的高纯度铂线圈并在其外包裹载体催化剂形式球体，在一定的温度条件下，当可燃性气体与上述球体接触时会与其表面的吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，反应释放的热量导致铂线圈温度变化，温度变化又导致铂线圈电阻发生变化，测量电阻变化就可以测到气体浓度。因此与其说催化元件是气体传感器不如说他是个温度传感器，为克服环境温度变化带来的干扰，催化元件会成对构成一支完整的元件，这一对中一个对气体有反应，另一个对气体无反应，而只对环境温度有反应，这样两支元件相互对冲就可以消除环境温度变化带来的干扰。从温度传感器去理解催化元件会在开发、应用时引导我们不仅仅关注传感过程中化学反应本身，也会吸引我们去更多的关注传感过程与温度有关的温度场的分布与变化、温度场与传感器球体的位移关系、热传导与热幅射、及传质与热传导等。实际上，决定催化元件性能的因素中，促使化学反应发生只是众多传感要素中不太重要的要素，和热传递相关的因素才是最核心的。和半导体元件不同，催化元件传感过程较为复杂，前者是气体与传感器接触后发生的化学反应直接导致传感器电阻即电信号的变化，后者则是气体在催化元件上发生的化学反应首先导致的结果是传感器载体表面及载体内部的温度变化，载体的温度变化经过热传递最终导致铂线圈电阻的变化，完成传感的全过程。传感过程复杂，导致问题产生的几率就大一些。1、对长分子链的有机物以及不饱和烃，对半导体来说，不完全反应导致的积炭只会对反应过程产生影响，而不会对电子传输产生大的影响，而对催化来讲，炭的存在不仅影响反应过程，更会对热传递产生剧烈影响，结果是反应产生的热量向传感器内部传递效率变低了，热量大都散失掉了，最终是，同样的气体浓度，释放同样的热，由于炭的存在，导致传感器:温度只有很小的变化，即灵敏度变得很低。2、因为需要热传递，为了保证热效率，反应必须在瞬间完成，即要求有极高的反应效率，就需要有大量的纳米级的催化剂以及纳米级的孔，这样的特征有利于传感也有利于中毒。3、催化元件的线性是由两个因素决定的a、温度传感材料pt线圈的电阻~温度特性是线性的。b、爆炸下限以内反应放热和气体浓度是线性的。因此，两个因素任一发生变化，就会导致传感器线性变化。实际上，铂线圈会持续升华变细即导阻变大；反应释放的热量与浓度的线性关系只在气体浓度为爆炸下限以内时才成立。催化元件的未来主要取决于工艺技术的进步:1、结构改进，解决的问题是震动引起的漂移。2、过滤层改进，解决的问题是中毒。3、开发新材料改善积碳。4、制造过程对设计实现的保障如避免形变。5、MEMS化。需要说明的是，器件结构、封装、制造工艺的改进不仅会改善元件的综合性能，也会引发新的应用。和半导体相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面积下有更高的催化效率、热效率。6、催化元件的应用定位会更精准专一。7，催化元件不会被淘汰。电化学传感器:电化学就是研究电学和