電化學氣體傳感器的工作原理及組成

電化學傳感器是一種基于待測物的電化學性質而研發的，并可將待測物化學量轉變成電學量進行傳感檢測的傳感器。最早的電化學氣體傳感器要追溯到20世紀50年代，在當時該氣體傳感器應用于氧氣檢測，到了20世紀80年代，電化學氣體傳感器開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、電化學氣體傳感器的工作原理

電化學氣體傳感器通過與被測氣體發生百反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。大多數電化學氣體傳感器是電流傳感器，產生與氣體濃度成線性比例的電流。

一個電化學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一個防止冷凝的隔膜，它也起到防塵的作用。那么氣體分子通過毛細管擴散，可能通過隨后的過濾器，然后通過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，從而產生或消耗電子，從而產生電流。

重要的是要注意，用這種方法進入傳感器的氣體分子的量受到通過毛細管擴散的限制。通過優化路徑，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重要的。它涉及固體，液體和氣體三個階段的系統，并且都涉及分析物氣體的化學識別。致力于量身定制該系統并獲得高性能的氣體傳感器。電化學電池通過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傳送，而電流路徑通過以銷連接器終止的導線提供。通常在電化學傳感器（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傳感器的操作，需要恒電位電路。

二、電化學氣體傳感器的組成

電化學氣體傳感器包含以下4種主要元件：

1、 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。孔徑尺寸應能夠允許足量的氣體分子到達傳感電極。孔徑尺寸還應該防止液態電解質泄漏或迅速燥結。

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，能夠執行在長時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制作。

3、電解質：電解質必須能夠進行電解反應，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。如果電解質蒸發過于迅速，傳感器信號會減弱。

4、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，多數常用的濾材是活性炭。活性炭可以濾除多數化學物質，但不能濾除一氧化碳。通過選擇正確的濾材，電化學傳感器對其目標氣體可以具有更高的選擇性。

三、電化學傳感器的分類

電化學傳感器的分類方法很多，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。

按照電化學傳感器所檢測的物質不同，電化學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、進氣量、電解液導電能力、環境溫度等。

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、電解液、偏置電壓、過濾器等。

重復性/長期穩定性

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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