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電化學(xué)傳感器
通過電信號工作的器件
基本信息
| 中文名 | 電化學(xué)傳感器 |
| 追溯 | 20世紀(jì)50年代 |
| 組成 | 傳感電極、反電極、薄電解層 |
| 作方式 | 通過電信號工作 |
| 英文名 | electrochemical sensor |
工作原理
電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。
氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是疏水屏障層，最終到達(dá)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(yīng)，以形成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。
穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進(jìn)行催化。
通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負(fù)極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。
在實際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應(yīng)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時間后，它會導(dǎo)致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極。
參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時測量反電極，測量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目標(biāo)氣體。
組成
電化學(xué)傳感器包含以下主要元件：
A. 透氣膜（也稱為疏水膜）：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(dá)電極表面的氣體分子量。此類屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。這類傳感器稱為鍍膜傳感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆蓋，而用毛管控制到達(dá)電極表面的氣體分子量。此類傳感器稱為毛管型傳感器。除為傳感器提供機械性保護(hù)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。孔徑尺寸應(yīng)能夠允許足量的氣體分子到達(dá)傳感電極。孔徑尺寸還應(yīng)該防止液態(tài)電解質(zhì)泄漏或迅速燥結(jié)。
B. 電極：選擇電極材料很重要。電極材料應(yīng)該是一種催化材料，能夠執(zhí)行在長時間內(nèi)執(zhí)行半電解反應(yīng)。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(yīng)。視傳感器的設(shè)計而定，為完成電解反應(yīng)，三種電極可以采用不同材料來制作。
C. 電解質(zhì)：電解質(zhì)必須能夠進(jìn)行電解反應(yīng)，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(wěn)定的參考電勢并與傳感器內(nèi)使用的材料兼容。如果電解質(zhì)蒸發(fā)過于迅速，傳感器信號會減弱。
D. 過濾器：有時候傳感器前方會安裝洗滌式過濾器以濾除不需要的氣體。過濾器的選擇范圍有限，每種過濾器均有不同的效率度數(shù)。多數(shù)常用的濾材是活性炭，如圖5所示。活性炭可以濾除多數(shù)化學(xué)物質(zhì)，但不能濾除一氧化碳。通過選擇正確的濾材，電化學(xué)傳感器對其目標(biāo)氣體可以具有更高的選擇性。
電化傳感器的制造方法多種多樣，最終取決于要檢測的氣體和制造商。然而，傳感器的主要特性在本質(zhì)上非常相似。以下介紹電化傳感器的一些共同特性：
1．在三電極傳感器上，通常由一個跳線來連接工作電極和參考電極。如果在儲存過程中將其移除，則傳感器需要很長時間來保持穩(wěn)定并準(zhǔn)備使用。某些傳感器要求電極之間存在偏壓，而且在這種情況下，傳感器在出廠時帶有九伏電池供電的電子電路。傳感器穩(wěn)定需要30分鐘至24小時，并需要三周時間來繼續(xù)保持穩(wěn)定。
2．多數(shù)有毒氣體傳感器需要少量氧氣來保持功能正常。傳感器背面有一個通氣孔以達(dá)到該目的。建議在使用非氧氣背景氣應(yīng)用場合中與制造商執(zhí)行復(fù)檢。
3．傳感器內(nèi)電池的電解質(zhì)是一種水溶劑，用疏水屏障予以隔離，疏水屏障具有防止水溶劑泄漏的作用。然而，和其它氣體分子一樣，水蒸汽可以穿過疏水屏障。在大濕度條件下，長時間暴露可能導(dǎo)致過量水分蓄積并導(dǎo)致泄漏。在低潮濕條件下，傳感器可能燥結(jié)。設(shè)計用于監(jiān)控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過的氣體分子量，因此它不受濕度影響，和用于監(jiān)控低濃度氣體的傳感器一樣，這種傳感器具有較高孔率屏障并允許氣體分子自由流動。
應(yīng)用
1、濕度傳感器 濕度是空氣環(huán)境的一個重要指標(biāo)，空氣的濕度與人體蒸發(fā)熱之間有著密切關(guān)系，高溫高濕時，由于人體水分蒸發(fā)困難而感到悶熱，低溫高濕時，人體散熱過程劇烈，容易引起感冒和凍傷。人體最適宜的氣溫是18~22℃，相對濕度為35%～65%RH。在環(huán)境與衛(wèi)生監(jiān)測中，常用于濕球溫濕度計、手搖濕溫度計和通風(fēng)濕溫度計等儀器測定空氣濕度。近年來，大量文獻(xiàn)報道用傳感器測定空氣濕度。用于測定相對濕度的涂覆壓電石英晶體用傳感器，通過光刻和化學(xué)蝕刻技術(shù)制成小型石英奪電晶體，在AT 切割的10MHZ石英晶體上涂有4種物質(zhì)，對濕度具有較高的質(zhì)量敏感性。該晶體是振蕩電路中的共振器,其頻率隨質(zhì)量變化，選擇適當(dāng)涂層，該傳感器可用于測定不同氣體的相對濕度。該傳感器的靈敏度、響應(yīng)線性、響應(yīng)時間、選擇性、滯后現(xiàn)象和使用壽命等取決于涂層化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)。
濕度傳感器
2、氧化氮傳感器 氧化氮是氮的各種氧化物所組成的氣體混合物的總稱，常以NOX表示。在氧化氮中，不同形式的氧化氮化學(xué)穩(wěn)定性不同，空氣中常風(fēng)的是化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的一氧化氮和二氧化氮，它們在衛(wèi)生學(xué)上的意義顯得較其它形式氧化氮更為重要。在環(huán)境分析中，氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。我國監(jiān)測氧化氮的標(biāo)準(zhǔn)方法是鹽酸萘乙二胺比色法，方法靈敏度為0.25ug/5ml,方法轉(zhuǎn)換系數(shù)受吸收液組成、二氧化氮濃度、采氣速度、吸收管結(jié)構(gòu)、共存離子及溫度等多種因素的影響，目前未完全統(tǒng)一。傳感器測定是近年發(fā)展起來的新方法。文獻(xiàn)報道，用交指型柵極電極場效應(yīng)晶體管的微電子集成電路與化學(xué)活性電子束蒸鍍酞花青銅薄膜相結(jié)合，獲得了新型氣體敏感微傳感器，可選擇性檢測mg/m3 級二氧化氮和二惜內(nèi)基甲基膦酸鹽(DIMP)。
3、硫化氫氣體傳感器 硫化氫是一種無色、具有特殊腐蛋臭味的可燃?xì)怏w，具有刺激性和窒息性，對人體有較大危害。目前大多用比色法和氣相色譜法測定空氣中硫化氫。對含量常常低至mg/m3級的空氣污染物進(jìn)行測定是氣體傳感器的一項主要應(yīng)用，但在短時期內(nèi)半導(dǎo)體氣體傳感器還不能滿足監(jiān)測某些污染氣體靈敏度和選擇性要求。摻銀薄膜傳感器陣列由四個傳感器構(gòu)成，通過基于庫化滴定的通用分析裝置和半導(dǎo)體氣體傳感器陣列的信號，同時記錄二氧化硫和硫化氫濃度，實踐表明，在150℃下以恒溫方式的摻銀薄膜傳感器用于監(jiān)測城市空氣中的硫化氫含量，效果良好。
4、二氧化硫傳感器 二氧化硫是污染空氣的主要物質(zhì)之一，檢測空氣中二氧化硫嘗試是空氣檢驗的一項經(jīng)常性工作。應(yīng)用傳感器監(jiān)測二氧化硫。從縮短檢測時間到降低檢出限，都顯示出極大的優(yōu)越性。利用固體聚合物作離子交換膜，膜的一邊含對電極和參比電極的內(nèi)部電解液，另一邊插入鉑電極，組成一種二氧化硫傳感器。該傳感器安裝在流通池中，在 0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。該傳感裝置電流靈敏度高。響應(yīng)時間短，穩(wěn)定性好，本底噪音低，線性范圍達(dá)0.2mmol/L，檢出限為 8*10-6mmol/L，信噪比為3。該傳感器不僅可以測定空氣中的二氧化硫，還可用于測定低電導(dǎo)率液體中的二氧化硫。有機改性硅酸鹽薄膜二氧化硫氣體傳感器的氣敏涂層是利用溶膠工藝和自旋技術(shù)制作的，對二氧化硫的測定具有良好的重現(xiàn)性和可逆性，響應(yīng)時間不到20S，對其它氣體的交感小，受溫度和濕度影響小。
電導(dǎo)率
二氧化碳傳感器
壓力與溫度
電化學(xué)傳感器受壓力變化的影響極小。然而，由于傳感器內(nèi)的壓差可能損壞傳感器，因此整個傳感器必須保持相同的壓力。電化學(xué)傳感器對溫度也非常敏感，因此通常采取內(nèi)部溫度補償。但最好盡量保持標(biāo)準(zhǔn)溫度。
一般而言，在溫度高于25°C時，傳感器讀數(shù)較高；低于25°C時，讀數(shù)較低。溫度影響通常為每攝氏度0.5%至1.0%，視制造商和傳感器類型而定。
電化學(xué)傳感器溫度補償控制器
選擇性
電化學(xué)傳感器通常對其目標(biāo)氣體具有較高的選擇性。選擇性的程度取決于傳感器類型、目標(biāo)氣體以及傳感器要檢測的氣體濃度。最好的電化學(xué)傳感器是檢測氧氣的傳感器，它具有良好的選擇性、可靠性和較長的預(yù)期壽命。其它電化學(xué)傳感器容易受到其它氣體的干擾。干擾數(shù)據(jù)是利用相對較低的氣體濃度計算得出。在實際應(yīng)用中，干擾濃度可能很高，會導(dǎo)致讀數(shù)錯誤或誤報警。
預(yù)期壽命
電化學(xué)傳感器的預(yù)期壽命取決于幾個因素，包括要檢測的氣體和傳感器的使用環(huán)境條件。一般而言，規(guī)定的預(yù)期壽命為一至三年。在實際中，預(yù)期壽命主要取決于傳感器使用中所暴露的氣體總量以及其它環(huán)境條件，如溫度、壓力和濕度。
小結(jié)
電化學(xué)傳感器對工作電源的要求很低。實際上，在氣體監(jiān)測可用的所有傳感器類型中，它們的功耗是最低的。因此，這種傳感器廣泛用于包含多個傳感器的移動儀器中。它們是有限空間應(yīng)用場合中使用最多的傳感器。
傳感器的預(yù)期壽命由其制造商根據(jù)他們認(rèn)為正常的條件進(jìn)行預(yù)測。然而，傳感器的預(yù)期壽命很大程度上取決于環(huán)境污染、溫度及其暴露的濕度。
典型的電化學(xué)傳感器的規(guī)格
傳感器類型：2或3電極，通常為3電極
預(yù)期壽命：正常為12至24個月，取決于制造商與傳感器
溫度范圍：–40°C至+45°C
相對濕度：15-95%，無凝露
響應(yīng)時間：< 50秒
長期偏移：每月下移2%
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