氣體傳感器之電化學(xué)氣體傳感器小知識

背景：

最早出現的電化學(xué)氣體傳感器可以追溯到20世紀50年代，是用于檢測氧氣的，到了80年代中期，小型電化學(xué)氣體傳感器開(kāi)始用于檢測PEL范圍內的多種不同的有毒氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。目前，為保障人身安全，各種電化氣體學(xué)傳感器廣泛應用于許多靜態(tài)與移動(dòng)應用場(chǎng)合。

工作原理：

電化學(xué)氣體傳感器是通過(guò)與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來(lái)工作的。典型的電化學(xué)氣體傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開(kāi)。

氣體首先通過(guò)微小的毛管型開(kāi)孔與傳感器發(fā)生反應，然后是疏水屏障層，最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應，以形成充分的電信號，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。
穿過(guò)屏障擴散的氣體與傳感電極發(fā)生反應，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應由針對被測氣體而設計的電極材料進(jìn)行催化。

通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會(huì )在正極與負極間流動(dòng)。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱(chēng)為電流氣體傳感器或微型燃料電池。
電化學(xué)就是研究電學(xué)和化學(xué)行為之間關(guān)系的學(xué)科。這個(gè)學(xué)科最重要的應用是電能與化學(xué)能之間的高效轉換和大功率密度存儲技術(shù)。

我們知道傳感器表觀(guān)上是信息種類(lèi)、信息量的轉換裝置，如壓力信息轉換為電信息的壓力傳感器等。本質(zhì)上傳感器是一種能量轉換裝置，如壓力傳感器就是把機械能轉換為電能的裝置。

由此，很容易理解，電化學(xué)氣體傳感器就是一個(gè)電池，叫氣體燃料電池。最常見(jiàn)的電池，把一堆可以導電的化學(xué)物質(zhì)裝起來(lái)，插入兩個(gè)不同材料的電極，用導線(xiàn)連接就會(huì )有電產(chǎn)生。

重點(diǎn)：

以鉛酸蓄電池為例，硫酸水溶液就是導電的化學(xué)物質(zhì)，把鉛放進(jìn)其中，在鉛和硫酸接觸的地方(界面)會(huì )產(chǎn)生電，把氧化鉛放進(jìn)去，界面也會(huì )有電，兩個(gè)界面電量有差異，即有電壓，用導線(xiàn)連起來(lái)電子就會(huì )從鉛流到氧化鉛，鉛就變成了氧化鉛，氧化鉛變成了氧化亞鉛。電量和化學(xué)量及反應過(guò)程相關(guān)聯(lián)。

為什么產(chǎn)品設計要追求極簡(jiǎn)？

在鉛、氧化鉛、硫酸水溶液構成的鉛酸蓄電池中，鉛是產(chǎn)生并輸送電子的一極，氧化鉛是獲得電子的一極，兩個(gè)電極在硫酸水溶液兩端電極間產(chǎn)生電壓。如果用導線(xiàn)把兩個(gè)電極連起來(lái)，電子就會(huì )從鉛通過(guò)導線(xiàn)流到氧化鉛，硫酸水溶液中氫離子從鉛那一端通過(guò)硫酸水溶液流到氧化鉛。

電化學(xué)一氧化碳傳感器是一個(gè)化學(xué)電池即CO燃料電池。其中:CO是提供電子的一極(工作電極)，氧氣是獲得電子的一極，硫酸水溶液是電解質(zhì)。

和鉛酸蓄電池最大的不同是電極材料不同，電化學(xué)氣體傳感器(co)電極材料是氣體，鉛酸蓄電池是固體。電化學(xué)氣體傳感器的電極叫氣體電極。電化學(xué)一氧化碳傳感器中，工作電極CO作為供電子的一極，只有CO和硫酸水溶液觸是無(wú)法進(jìn)行的電子釋放、收集和傳導的。

其一，CO完成提供電子的過(guò)程需要條件，即在電催化條件下降低CO提供電子的難度。實(shí)踐中這個(gè)條件由多孔鉑電極（或其它電催化導電電極）提供。

其二，CO提供的電子需要導體收集后傳導，也由多孔鉑電極完成。
同理，作為對電極的氧氣電極亦需要有多孔鉑電極協(xié)助獲得電子，鉑電極實(shí)際上是反應平臺。

電化學(xué)傳感器傳感原理雖然簡(jiǎn)單，但是實(shí)現可靠精確的傳感卻很難:

其一，需要鉑電極有穩定的多孔結構，孔的數量足夠多，硫酸水溶液進(jìn)到孔里，CO (或氧氣)也能進(jìn)到孔里，在氣(CO)-固(pt)-液(硫酸水溶液中的水)共同接觸的位置即三相界面完成電子提供。

因此,三相界面如何在硫酸長(cháng)期浸泡、電化學(xué)反應沖擊、電泳驅動(dòng)下保持穩定，是可靠精確傳感的核心。

其二，硫酸水溶液要穩定，不揮發(fā)，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液的質(zhì)量變化都會(huì )導致傳感器內部壓力的變化,進(jìn)而引起三相界面的變化。

其三，由封裝、材料物理特性決定的電極和硫酸水溶液接觸應力要穩定不變。

目前電化學(xué)傳感器的主要問(wèn)題基本源于上述因素。電化學(xué)傳感器最核心的技術(shù)及工藝之一是如何構建孔的物理結構合理穩定可靠的電極，它和靈敏度、響應恢復、壽命、溫度特性密切相關(guān)。之二是封裝。

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