半导体与电化学气体传感器特性对比说明[1].pdf

一氧化碳传感器气体传感器简述

一、电化学一氧化碳气体传感器

电化学一氧化碳气体传感器工作原理：

基于电化学原理开发的一氧化碳气体传感器是目前广范应用于各类工

业现场、矿山、家居环境中防止一氧化碳中毒的一种毒性气体传感器。其

工作过程遵循法拉第定律。可简单表述为利用一氧化碳气体在传感器中工

作电极上的电化学氧化过程，氧气在对电极上的电化学还原过程。一氧化

碳气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。这样，

通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。

该种传感器设计的理念最初主要基于预防工业、矿业等现场群体性一

氧化碳中毒事件的发生，因此器件的精度和可靠性是其设计的最核心内容。

工艺技术的不断成熟、制造成本的快速降低，使得在工业用一氧化碳传感

器技术基础上衍生的用于家居环境中的一氧化碳传感器大规模应用变成现

实，其具有的工业应用产品标准的品质使其几乎成了欧美发达国家居民家

庭一氧化碳检测的唯一选择。

电化学一氧化碳气体传感器特性：

1.功耗低，能满足严格防爆要求。由於它是一只电池，响应时不消耗

能量，所附加的恒定电位较低，一般在几十毫伏至二百毫伏内，且

漏电流极小，约为零点几微安。因此这种传感器用一节五号电池便

可连续工作数百小时。再则这种传感器在室温中工作，对CO等易燃

易爆气体使用较安全。它可在地面恶劣环境中使用，也可在地下坑

道中使用，能够满足严格的防爆要求。

2.有较好的抗干扰性能。由於由不同气体的电极和电解液组成、配方

均不同，它们的电极电位不同，反应电流的最佳电极电位也不相同，

因此具有较好的抗干扰性能。如在实验中测定CO气体传感器的响应

电流时，测量不受甲烷、汽油气、NO、NO、SO等气体的干扰。

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3.有稳定的较高的输出性能。由于工作电极是在恒定电位下工作，被

测气体能产生稳定的电化学反应，因而保证了这种气体传感器有优

良的稳定输出性能。只要加在参比电极上的电压不变，它的输出响

应就不会发生突变。因此这种传感器的测量精度较高，可达到

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0.5×10。

4.响应时间较快，20秒内可达90％。无需取样，在不增加气泵的情况

下，只要被测气体对准传感器的窗口，通过气体扩散进入扩散电极

便会迅速产生响应。

5.有较好的线性特性与温度性能。从工作原理已知，在恒电位条件下，

当传感器的结构和电解液一定时，气体扩散电极一定，此时，反应

电流I就只与气体浓度C成正比，I=KC，因此这类传感器必然有较

好的线性特性。

6.由于所用电解液浓度高时吸收环境中的水蒸气，而浓度低时电解液

中的水分较易挥发，其电解液浓度会自动平衡，电导率变化较小，

从而传感器灵敏度受环境变化的影响较小。

二、金属氧化物半导体一氧化碳传感器

金属氧化物半导体一氧化碳传感器工作原理：

基于半导体原理开发的一氧化碳气体传感器，常见的有旁热式元件和

自加热元件（也叫常温元件）由于其工作原理简单、易于制造、使用方便、

价格低廉等特点曾引起业界的广泛关注。其原理可简单表述为金属氧化物

半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体

表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，

同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻

碍电子流动。

在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合

部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍

电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器

遇到一氧化碳气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致

其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。从而实现对一

氧化碳的检测。

该类一氧化碳传感器由于其固有的精度、尤其是可靠性差与一氧化碳

的检测要求严重背离，这也是制约其大规模应用的致命因素。

半导体气体传感器特性：

1.半导体气体传感器的响应速度和恢复速度