气体传感器的种类和机制

气体传感器有各种各样的方式,根据对象气体和用途,选择最佳的气体传感器是非常重要的。作为普通的气体传感器方式,有 NDIR : Non Dispersive InfraRed ( 非分散信红外吸收 )、半导体式和电化学式。

本页说明各气体传感器的检测方式的原理及其优缺点。

二氧化碳传感器

气体传感器的种类和特征

作为气体传感器检测对象的气体因检测原理而异。此外,各性能方面也有其优缺点。下表对三种典型的检测方法进行了相对比较。( ✓ 为优点,× 为缺点。)

表 1. 气体传感器的种类和特征

  NDIR method
(Non-dispersive infrared method)
Semiconductor method Electrochemical method
Principle Detection method using infrared absorption
of gases
Detection method of absorbing gas onto
the metal oxide surface
Detection method of oxidation-reduction
reaction of gas at the sensing electrode
Precision ✓​ × ×
Current consumption ✓​ × ×
Life time ✓​ × ×
Response time ✓​ × ×
Size ✓​ × ×
Gas to be measured Carbon dioxide
Flammable gas
Refrigerant gas
Exhaled alcohol
Flammable gas
Refrigerant gas
VOC
(Volatile Organic Material)
Toxic gas

NDIR 方式

NDIR 方式的气体传感器采用的是利用气体分子吸收特定波长红外线的特性的方式。作为典型气体的 CO2 吸收 4.3um 频带的红外线,制冷剂气体 R32 吸收 3.3um 频带的红外线。这种 NDIR 方式由红外线光源 (Light emitter)、红外线传感器 (Infrared sensor) 和外壳 (Optical cavity) 组成。红外线光源发出的红外线被外壳内的气体分子吸收并衰减,然后到达红外线传感器。可以根据到达的红外线量,计算出气体浓度 (Gas concentration) ( 图 1 )。

图 2 所示为红外线传感器对当时气体浓度的运作情况。气体浓度越高,气体分子吸收的红外线越多,而红外线传感器的输出 (Infrared sensor output) 则会变小。另一方面,如果气体浓度较低,该输出就会变大。可以根据朗伯-贝尔定律计算该输出,并计算气体浓度。

在测定气体浓度方面,NDIR 方式与其它方式相比的优点在于,可以检测其它方式的气体传感器难以检测的 CO2 等惰性气体。无论是活性气体还是惰性气体,只要气体在红外区域具有吸收能力,NDIR 方法都可以精确地对其进行测量。另一方面,氢和氧等由于其对称的分子结构,在红外线区域没有吸收能力,所以不能进行测量。另外,通过搭载的光源和红外线传感器,NDIR 方式的气体传感器可以成为超低耗电、超高速响应、安全性较高的气体传感器。

图1. NDIR方式的原理 图 1. NDIR 方式的原理
图2. 气体浓度与红外线传感器输出的关系 图 2. 气体浓度与红外线传感器输出的关系

半导体方式

半导体方式的特点在于,通过吸附在经由加热器 (>300℃) 加热的氧化金属 (Metal oxide) 表面的氧气,和作为检测对象的气体进行反应,使传感器电阻值变化特性。

由于吸附气体的氧化金属部使用的是氧化锡、氧化锌等n型金属氧化物,可以通过半导体工艺制造,因此,半导体式的气体传感器的量产性较高,价格比较便宜。

另一方面,这种方式需要将气体吸附在金属氧化物表面,不适合检测诸如 CO2 等的化学性能稳定的气体分子,还存在可测量气体有限的缺点。

图 3. 半导体方式的气体传感器 图 3. 半导体方式的气体传感器

电化学方式

电化学式气体传感器利用氧化还原反应获得气体浓度。要检测的气体分子在检测极发生氧化反应,产生离子和电子,然后,以离子经由电解液、电子经由外部电路的方式,移动到对电极,引发还原反应。

CO 是一种典型气体,它与检测极发生反应生成 CO2,并利用当时的化学反应。届时,由于流过外部电路的电流相对气体浓度成比例地增加,因此可以通过监测电流值来计算气体浓度。

虽然它具有不受其它气体干扰、抗结露能力较强的优点,但一般来说也有使用寿命较短、需要定期维护的缺点。

图 4. 电化学方式的气体传感器 图 4. 电化学方式的气体传感器

关于 Senseair

于 2018 年成为旭化成微电子 (AKM) 集团一员的 Senseair,是引领世界的非色散红外 (NDIR) 式气体传感器的供应商,一直致力于开发生产运用最新技术的气体传感器。