電化學(xué)氣體傳感器的工作原理及組成

電化學(xué)傳感器是一種基于待測物的電化學(xué)性質(zhì)而研發(fā)的，并可將待測物化學(xué)量轉變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測的傳感器。最早的電化學(xué)氣體傳感器要追溯到20世紀50年代，在當時(shí)該氣體傳感器應用于氧氣檢測，到了20世紀80年代，電化學(xué)氣體傳感器開(kāi)始應用于監測各種各樣的有毒性氣體，并顯示出了良好的敏感型與選擇性。

一、電化學(xué)氣體傳感器的工作原理

電化學(xué)氣體傳感器通過(guò)與被測氣體發(fā)生百反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來(lái)工作。大多數電化學(xué)氣體傳感器是電流傳感器，產(chǎn)生與氣體濃度成線(xiàn)性比例的電流。

一個(gè)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理如下：與傳感器接觸的目標氣體分子首先通過(guò)一個(gè)防止冷凝的隔膜，它也起到防塵的作用。那么氣體分子通過(guò)毛細管擴散，可能通過(guò)隨后的過(guò)濾器，然后通過(guò)疏水膜到達感測電極的表面。在那里分子立即被氧化或還原，從而產(chǎn)生或消耗電子，從而產(chǎn)生電流。

重要的是要注意，用這種方法進(jìn)入傳感器的氣體分子的量受到通過(guò)毛細管擴散的限制。通過(guò)優(yōu)化路徑，根據期望的測量范圍，獲得適當的電信號。感測電極的設計對于實(shí)現對目標氣體的高反應性并抑制對干擾氣體的不希望響應是至關(guān)重要的。它涉及固體，液體和氣體三個(gè)階段的系統，并且都涉及分析物氣體的化學(xué)識別。致力于量身定制該系統并獲得高性能的氣體傳感器。電化學(xué)電池通過(guò)平衡感測電極處的反應的所謂反電極--Cont電極完成。Cont電極與Sen電極之間的離子電流由傳感器主體內的電解質(zhì)傳送，而電流路徑通過(guò)以銷(xiāo)連接器終止的導線(xiàn)提供。通常在電化學(xué)傳感器（3電極傳感器）中包含第三電極。所謂的參考電極用于將感測電極的電勢保持在固定值。為此并且通常用于電化學(xué)傳感器的操作，需要恒電位電路。

二、電化學(xué)氣體傳感器的組成

電化學(xué)氣體傳感器包含以下4種主要元件：

1、 透氣膜（也稱(chēng)為疏水膜）：透氣膜用于覆蓋傳感（催化）電極，在有些情況下用于控制到達電極表面的氣體分子量。此類(lèi)屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。這類(lèi)傳感器稱(chēng)為鍍膜傳感器?；蛘?，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆蓋，而用毛管控制到達電極表面的氣體分子量。此類(lèi)傳感器稱(chēng)為毛管型傳感器。除為傳感器提供機械性保護之外，薄膜還具有濾除不需要的粒子的功能。為傳送正確的氣體分子量，需要選擇正確的薄膜及毛管的孔徑尺寸?？讖匠叽鐟軌蛟试S足量的氣體分子到達傳感電極?？讖匠叽邕€應該防止液態(tài)電解質(zhì)泄漏或迅速燥結。

2、電極：選擇電極材料很重要。電極材料應該是一種催化材料，能夠執行在長(cháng)時(shí)間內執行半電解反應。通常，電極采用貴金屬制造，如鉑或金，在催化后與氣體分子發(fā)生有效反應。視傳感器的設計而定，為完成電解反應，三種電極可以采用不同材料來(lái)制作。

3、電解質(zhì)：電解質(zhì)必須能夠進(jìn)行電解反應，并有效地將離子電荷傳送到電極。它還必須與參考電極形成穩定的參考電勢并與傳感器內使用的材料兼容。如果電解質(zhì)蒸發(fā)過(guò)于迅速，傳感器信號會(huì )減弱。

4、過(guò)濾器：有時(shí)候傳感器前方會(huì )安裝洗滌式過(guò)濾器以濾除不需要的氣體。過(guò)濾器的選擇范圍有限，每種過(guò)濾器均有不同的效率度數，多數常用的濾材是活性炭?；钚蕴靠梢詾V除多數化學(xué)物質(zhì)，但不能濾除一氧化碳。通過(guò)選擇正確的濾材，電化學(xué)傳感器對其目標氣體可以具有更高的選擇性。

三、電化學(xué)傳感器的分類(lèi)

電化學(xué)傳感器的分類(lèi)方法很多，按照其輸出信號的不同可以分為電位型傳感器、電流型傳感器和電導型傳感器。

按照電化學(xué)傳感器所檢測的物質(zhì)不同，電化學(xué)傳感器主要可以分為離子傳感器、氣體傳感器和生物傳感器。

四、電化學(xué)氣體傳感器主要性能與影響因素

靈敏度

影響靈敏度因素主要有：催化劑活性、進(jìn)氣量、電解液導電能力、環(huán)境溫度等。

響應恢復

影響響應恢復速度的因素主要有：催化劑活性、電解液導電能力、氣室結構、氣體特性等。

選擇性/交叉干擾

影響選擇性的因素有：催化劑種類(lèi)、電解液、偏置電壓、過(guò)濾器等。

重復性/長(cháng)期穩定性

影響重復性的因素有：電極結構穩定性、電解液穩定性、氣路穩定性等。

高低溫性能

影響高低溫穩定性的因素有：催化劑活性、電極結構穩定性、氣體特性。

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