氣體傳感器之電化學氣體傳感器小知識

背景：

最早出現的電化學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，小型電化學氣體傳感器開始用于檢測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，各種電化氣體學傳感器廣泛應用于許多靜態與移動應用場合。

工作原理：

電化學氣體傳感器是通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作的。典型的電化學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生反應，以形成充分的電信號，同時防止電解質漏出傳感器。
穿過屏障擴散的氣體與傳感電極發生反應，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。由于該過程中會產生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。
電化學就是研究電學和化學行為之間關系的學科。這個學科最重要的應用是電能與化學能之間的高效轉換和大功率密度存儲技術。

我們知道傳感器表觀上是信息種類、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，電化學氣體傳感器就是一個電池，叫氣體燃料電池。最常見的電池，把一堆可以導電的化學物質裝起來，插入兩個不同材料的電極，用導線連接就會有電產生。

重點：

以鉛酸蓄電池為例，硫酸水溶液就是導電的化學物質，把鉛放進其中，在鉛和硫酸接觸的地方(界面)會產生電，把氧化鉛放進去，界面也會有電，兩個界面電量有差異，即有電壓，用導線連起來電子就會從鉛流到氧化鉛，鉛就變成了氧化鉛，氧化鉛變成了氧化亞鉛。電量和化學量及反應過程相關聯。

為什么產品設計要追求極簡？

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

電化學一氧化碳傳感器是一個化學電池即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。

和鉛酸蓄電池最大的不同是電極材料不同，電化學氣體傳感器(co)電極材料是氣體，鉛酸蓄電池是固體。電化學氣體傳感器的電極叫氣體電極。電化學一氧化碳傳感器中，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法進行的電子釋放、收集和傳導的。

其一，CO完成提供電子的過程需要條件，即在電催化條件下降低CO提供電子的難度。實踐中這個條件由多孔鉑電極（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助獲得電子，鉑電極實際上是反應平臺。

電化學傳感器傳感原理雖然簡單，但是實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，硫酸水溶液進到孔里，CO (或氧氣)也能進到孔里，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期浸泡、電化學反應沖擊、電泳驅動下保持穩定，是可靠精確傳感的核心。

其二，硫酸水溶液要穩定，不揮發，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液的質量變化都會導致傳感器內部壓力的變化,進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。

目前電化學傳感器的主要問題基本源于上述因素。電化學傳感器最核心的技術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。之二是封裝。

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