最早的電化學感測器可以追溯到20世紀50年代,當時用於氧氣監測。到了20世紀80年代中期,小型電化學感測器開始用於檢測PEL範圍內的多種不同有毒氣體,並顯示出了良好的敏感性與選擇性。目前,為保護人身安全起見,各種電化學感測器廣泛應用於許多靜態與移動應用場合。

1工作原理

電化學感測器通過與被測氣體發生反應併產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學感測器由感測電極(或工作電極)和反電極組成,並由一個薄電解層隔開。
氣體首先通過微小的毛管型開孔與感測器發生反應,然後是憎水屏障,最終到達電極表面。採用這種方法可以允許適量氣體與感測電極發生反應,以形成充分的電信號,同時防止電解質漏出感測器。
穿過屏障擴散的氣體與感測電極發生反應,感測電極可以採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。由於該過程中會產生電流,電化學感測器又常被稱為電流氣體感測器或微型燃料電池。
在實際中,由於電極表面連續發生電化發應,感測電極電勢並不能保持恆定,在經過一段較長時間后,它會導致感測器性能退化。為改善感測器性能,人們引入了參考電極。
參考電極安裝在電解質中,與感測電極鄰近。固定的穩定恆電勢作用於感測電極。參考電極可以保持感測電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與感測電極發生反應,同時測量反電極,測量結果通常與氣體濃度直接相關。施加於感測電極的電壓值可以使感測器針對目標氣體。

2組成

電化學感測器包含以下主要元件:
A. 透氣膜(也稱為憎水膜):透氣膜用於覆蓋感測(催化)電極,在有些情況下用於控制到達電極表面的氣體分子量。此類屏障通常採用低孔隙率特氟隆薄膜製成。這類感測器稱為鍍膜感測器。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。此類感測器稱為毛管型感測器。除為感測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感測電極。孔徑尺寸還應該防止液態電解質泄漏或迅速燥結。
B. 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,電極採用貴金屬製造,如鉑或金,在催化后與氣體分子發生有效反應。視感測器的設計而定,為完成電解反應,三種電極可以採用不同材料來製作。
C. 電解質:電解質必須有夠促進電解反應,並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並與感測器內使用的材料兼容。如果電解質蒸發過於迅速,感測器信號會減弱。
D. 過濾器:有時候感測器前方會安裝洗滌式過濾器以濾除不需要的氣體。過濾器的選擇範圍有限,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,如圖5所示。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,電化學感測器對其目標氣體可以具有更高的選擇性。
電化感測器的製造方法多種多樣,最終取決於要檢測的氣體和製造商。然而,感測器的主要特性在本質上非常相似。以下介紹電化感測器的一些共同特性:
1.在三電極感測器上,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, 則感測器需要很長時間來保持穩定並準備使用。某些感測器要求電極之間存在偏壓,而且在這種情況下,感測器在出廠時帶有九伏電池供電的電子電路。感測器穩定需要30分鐘至24小時,並需要三周時間來繼續保持穩定。
2.多數有毒氣體感測器需要少量氧氣來保持功能正常。感測器背面有一個通氣孔以達到該目的。建議在使用非氧氣背景氣應用場合中與製造商執行複檢。
3.感測器內電池的電解質是一種水溶劑,用憎水屏障予以隔離,憎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,水蒸汽可以穿過憎水屏障。在大濕度條件下,長時間暴露可能導致過量水分蓄積並導致泄漏。在低潮濕條件下,感測器可能燥結。設計用於監控高濃度氣體的感測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,和用於監控低濃度氣體的感測器一樣,這種感測器具有較高孔率屏障並允許氣體分子自由流動。

3應用

1、濕度感測器 濕度是空氣環境的一個重要指標,空氣的濕度與人體蒸發熱之間有著密切關係,高溫高濕時,由於人體水分蒸發困難而感到悶熱,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。 在環境與衛生監測中,常用於濕球溫濕度計、手搖濕溫度計和通風濕溫度計等儀器測定空氣濕度。近年來,大量文獻報道用感測器測定空氣濕度。用於測定相對濕度的塗覆壓電石英晶體用感測器,通過光刻和化學蝕刻技術製成小型石英奪電晶體,在AT 切割的10MHZ石英晶體上塗有4種物質,對濕度具有較高的質量敏感性.該晶體是振蕩電路中的共振器,其頻率隨質量變化,選擇適當塗層,該感測器可用於測定不同氣體的相對濕度.該感測器的靈敏度、響應線性、響應時間、選擇性、滯后現象和使用壽命等孝怪癖於塗層化學物質的性質。
2、氧化氮感測器 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穩定性不同,空氣中常風的是化學性質相對穩定的一氧化氮和二氧化氮,它們在衛生學上的意義顯得較其它形式氧化氮更為重要。在環境分析中,氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。 中國監測氧化氮的標準方法是鹽酸萘乙二胺比色法,方法靈敏度為0.25ug/5ml,方法轉換係數受吸收液組成、二氧化氮濃度、採氣速度、吸收管結構、共存離子及溫度等多種因素的影響,目前沿末完全統一。感測器測定是近年發慌起來的新方法。 文獻報道,用交指型柵極電極場效應晶體管的微電子集成電路與化學活性電子束蒸鍍酞花青銅薄膜相結合,獲得了新型氣體敏感微感測器,可選擇性檢測mg/m3 級二氧化氮和二惜內基甲基膦酸鹽(DIMP)。
3、硫化氫氣體感測器 硫化氫是一種無色、具有特殊腐蛋臭味的可燃氣體,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級的空氣污染物進行測定是氣體感測器的一項主要應用,但在短時期內半導體氣體感測器還不能滿足監測某些污染氣體靈敏度和選擇性要求。他提出利用摻銀薄膜感測器監測實驗室和城市空氣中的硫化氫。該感測器陣列由四個感測器構成,通過基於庫化滴定的通用分析裝置和半導體氣體感測器陣列的信號,同時記錄二氧化硫和硫化氫濃度,實踐表明,在150℃下以恆溫方式盍的摻銀薄膜感測器用於監測城市空氣中的硫化氫含量,效果良好。
4、二氧化硫感測器 二氧化硫是污染空氣的主要物質之一,檢測空氣中二氧化硫嘗試是空氣檢驗的一項經常性工作。應用感測器監測二氧化硫。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部電解液,另一邊插入鉑電極,組成一種二氧化硫感測器。該感測器安裝在流通池中,在 0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。該感測裝置電流靈敏度高。響應時間短,穩定性好,本底噪音低,線性範圍達0.2mmol/L,檢出限為 8*10-6mmol/L,信噪比為3。該感測器不僅可以測定空氣中的二氧化硫,還可用於測定低電導率液體中的二氧化硫。有機改性硅酸鹽薄膜二氧化硫氣體感測器的氣敏塗層是利用溶膠工藝和自旋技術製作的,對二氧化硫的測定具有良好的重現性和可逆性,響應時間不到20S,對其它氣體的交感小,受溫度和濕度影響小。

4壓力與溫度

電化學感測器受壓力變化的影響極小。然而,由於感測器內的壓差可能損壞感測器,因此整個感測器必須保持相同的壓力。電化學感測器對溫度也非常敏感,因此通常採取內部溫度補償。但最好盡量保持標準溫度。
一般而言,在溫度高於25°C時,感測器讀數較高;低於25°C時,讀數較低。溫度影響通常為每攝氏度0.5%至1.0%,視製造商和感測器類型而定。

5選擇性

電化學感測器通常對其目標氣體具有較高的選擇性。選擇性的程度取決於感測器類型、目標氣體以及感測器要檢測的氣體濃度。最好的電化學感測器是檢測氧氣的感測器,它具有良好的選擇性、可靠性和較長的預期壽命。其它電化學感測器容易受到其它氣體的干擾。干擾數據是利用相對較低的氣體濃度計算得出。在實際應用中,干擾濃度可能很高,會導致讀數錯誤或誤報警。

6預期壽命

電化學感測器的預期壽命取決於幾個因素,包括要檢測的氣體和感測器的使用環境條件。一般而言,規定的預期壽命為一至三年。在實際中,預期壽命主要取決於感測器使用中所暴露的氣體總量以及其它環境條件,如溫度、壓力和濕度。

7小結

電化學感測器對工作電源的要求很低。實際上,在氣體監測可用的所有感測器類型中,它們的功耗是最低的。因此,這種感測器廣泛用於包含多個感測器的移動儀器中。它們是有限空間應用場合中使用最多的感測器。
感測器的預期壽命由其製造商根據他們認為正常的條件進行預測。然而,感測器的預期壽命很大程度上取決於環境污染、溫度及其暴露的濕度。
典型的電化學感測器的規格
感測器類型:2或3電極,通常為3電極
範圍:可允許暴露極限的2-10倍
預期壽命:正常為12至24個月,取決於製造商與感測器
溫度範圍:–40°C至+45°C
相對濕度:15-95%,無凝露
響應時間:< 50秒
長期偏移:每月下移2%
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