一、電化學(xué)傳感器的工作原理

　　電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生百反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。大多數(shù)電化學(xué)氣體傳感器是電流傳感器，產(chǎn)生與氣體濃度成線性比例的電流。

　　一個(gè)電化學(xué)氣體傳感器的工作原理如下：與傳感器接觸的目標(biāo)氣體分子首先通過一個(gè)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(xì)管擴(kuò)散，可能通過隨后的過濾器，然后通過疏水膜到達(dá)感測電極的表面。在那里分子立即被氧化或還原，從而產(chǎn)生或消耗電子，從而產(chǎn)生電流。

　　重要的是要注意，用這種方法進(jìn)入傳感器的氣體分子的量受到通過毛細(xì)管擴(kuò)散的限制。通過優(yōu)化路徑，根據(jù)期望的測量范圍，獲得適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)。感測電極的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的高反應(yīng)性并抑制對(duì)干擾氣體的不希望響應(yīng)是至關(guān)重要的。它涉及固體，液體和氣體三個(gè)階段的系統(tǒng)，并且都涉及分析物氣體的化學(xué)識(shí)別。致力于量身定制該系統(tǒng)并獲得高性能的氣體傳感器。電化學(xué)電池通過平衡感測電極處的反應(yīng)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(nèi)的電解質(zhì)傳送，而電流路徑通過以銷連接器終止的導(dǎo)線提供。通常在電化學(xué)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(xué)傳感器的操作，需要恒電位電路。

　　二、電化學(xué)傳感器的組成

　　電化學(xué)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(dá)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(dá)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(jī)械性保護(hù)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(yīng)能夠允許足量的氣體分子到達(dá)傳感電極。孔徑尺寸還應(yīng)該防止液態(tài)電解質(zhì)泄漏或迅速燥結(jié)。

　　2、電極：選擇電極材料很重要。電極材料應(yīng)該是一種催化材料，能夠執(zhí)行在長時(shí)間內(nèi)執(zhí)行半電解反應(yīng)。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(fā)生有效反應(yīng)。視傳感器的設(shè)計(jì)而定，為完成電解反應(yīng)，三種電極可以采用不同材料來制作。

　　3、電解質(zhì)：電解質(zhì)必須能夠進(jìn)行電解反應(yīng)，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(wěn)定的參考電勢并與傳感器內(nèi)使用的材料兼容。如果電解質(zhì)蒸發(fā)過于迅速，傳感器信號(hào)會(huì)減弱。

　　4、過濾器：有時(shí)候傳感器前方會(huì)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(shù)，多數(shù)常用的濾材是活性炭。活性炭可以濾除多數(shù)化學(xué)物質(zhì)，但不能濾除一氧化碳。通過選擇正確的濾材，電化學(xué)傳感器對(duì)其目標(biāo)氣體可以具有更高的選擇性。

　　三、電化學(xué)傳感器的分類

　　電化學(xué)傳感器的分類方法很多，按照其輸出信號(hào)的不同可以分為電位型傳感器、電流型傳感器和電導(dǎo)型傳感器。

　　按照電化學(xué)傳感器所檢測的物質(zhì)不同，電化學(xué)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(xué)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(jìn)氣量、電解液導(dǎo)電能力、環(huán)境溫度等

　　響應(yīng)恢復(fù)

　　影響響應(yīng)恢復(fù)速度的因素主要有：催化劑活性、電解液導(dǎo)電能力、氣室結(jié)構(gòu)、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(fù)性/長期穩(wěn)定性

　　影響重復(fù)性的因素有：電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電解液穩(wěn)定性、氣路穩(wěn)定性等

　　高低溫性能

　　影響高低溫穩(wěn)定性的因素有：催化劑活性、電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、氣體特性

　　五、電化學(xué)傳感器的四大應(yīng)用

　　電化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域的氣體檢測，可檢測臭氧、甲醛、一氧化碳、氨氣、硫化氫、二氧化硫、二氧化氮、氧氣等多種氣體，常用于便攜式儀表和氣體在線監(jiān)測儀表中。

　　下面我們來看看四大主要應(yīng)用。

　　1、濕度傳感器

　　濕度是空氣環(huán)境的一個(gè)重要指標(biāo)，空氣的濕度與人體蒸發(fā)熱之間有著密切關(guān)系，高溫高濕時(shí)，由于人體水分蒸發(fā)困難而感到悶熱，低溫高濕時(shí)，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(duì)濕度為35%～65%RH。在環(huán)境與衛(wèi)生監(jiān)測中，常用于濕球溫濕度計(jì)、手搖濕溫度計(jì)和通風(fēng)濕溫度計(jì)等儀器測定空氣濕度。近年來，大量文獻(xiàn)報(bào)道用傳感器測定空氣濕度。用于測定相對(duì)濕度的涂覆壓電石英晶體用傳感器，通過光刻和化學(xué)蝕刻技術(shù)制成小型石英奪電晶體，在AT切割的10MHZ石英晶體上涂有4種物質(zhì)，對(duì)濕度具有較高的質(zhì)量敏感性。該晶體是振蕩電路中的共振器，其頻率隨質(zhì)量變化，選擇適當(dāng)涂層，該傳感器可用于測定不同氣體的相對(duì)濕度。該傳感器的靈敏度、響應(yīng)線性、響應(yīng)時(shí)間、選擇性、滯后現(xiàn)象和使用壽命等取決于涂層化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)。

　　2、氧化氮傳感器

　　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(xué)穩(wěn)定性不同，空氣中常風(fēng)的是化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的一氧化氮和二氧化氮，它們?cè)谛l(wèi)生學(xué)上的意義顯得較其它形式氧化氮更為重要。在環(huán)境分析中，氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。我國監(jiān)測氧化氮的標(biāo)準(zhǔn)方法是鹽酸萘乙二胺比色法，方法靈敏度為0.25ug/5ml，方法轉(zhuǎn)換系數(shù)受吸收液組成、二氧化氮濃度、采氣速度、吸收管結(jié)構(gòu)、共存離子及溫度等多種因素的影響，未完全統(tǒng)一。傳感器測定是近年發(fā)展起來的新方法。文獻(xiàn)報(bào)道，用交指型柵極電極場效應(yīng)晶體管的微電子集成電路與化學(xué)活性電子束蒸鍍酞花青銅薄膜相結(jié)合，獲得了新型氣體敏感微傳感器，可選擇性檢測mg/m3級(jí)二氧化氮和二惜內(nèi)基甲基膦酸鹽（DIMP）。

　　3、硫化氫氣體傳感器

　　硫化氫是一種無色、具有特殊腐蛋臭味的可燃?xì)怏w，具有刺激性和窒息性，對(duì)人體有較大危害。大多用比色法和氣相色譜法測定空氣中硫化氫。對(duì)含量常常低至mg/m3級(jí)的空氣污染物進(jìn)行測定是氣體傳感器的一項(xiàng)主要應(yīng)用，但在短時(shí)期內(nèi)半導(dǎo)體氣體傳感器還不能滿足監(jiān)測某些污染氣體靈敏度和選擇性要求。摻銀薄膜傳感器陣列由四個(gè)傳感器構(gòu)成，通過基于庫化滴定的通用分析裝置和半導(dǎo)體氣體傳感器陣列的信號(hào)，同時(shí)記錄二氧化硫和硫化氫濃度，實(shí)踐表明，在150℃下以恒溫方式的摻銀薄膜傳感器用于監(jiān)測城市空氣中的硫化氫含量，效果良好。

　　4、二氧化硫傳感器

　　二氧化硫是污染空氣的主要物質(zhì)之一，檢測空氣中二氧化硫嘗試是空氣檢驗(yàn)的一項(xiàng)經(jīng)常性工作。應(yīng)用傳感器監(jiān)測二氧化硫。從縮短檢測時(shí)間到降低檢出限，都顯示出極大的優(yōu)越性。利用固體聚合物作離子交換膜，膜的一邊含對(duì)電極和參比電極的內(nèi)部電解液，另一邊插入鉑電極，組成一種二氧化硫傳感器。該傳感器安裝在流通池中，在0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。該傳感裝置電流靈敏度高。響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)定性好，本底噪音低，線性范圍達(dá)0.2mmol/L，檢出限為8*10-6mmol/L，信噪比為3。該傳感器不僅可以測定空氣中的二氧化硫，還可用于測定低電導(dǎo)率液體中的二氧化硫。有機(jī)改性硅酸鹽薄膜二氧化硫氣體傳感器的氣敏涂層是利用溶膠工藝和自旋技術(shù)制作的，對(duì)二氧化硫的測定具有良好的重現(xiàn)性和可逆性，響應(yīng)時(shí)間不到20S，對(duì)其它氣體的交感小，受溫度和濕度影響小。

　　六、電化學(xué)傳感器未來發(fā)展趨勢

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和人們對(duì)環(huán)境關(guān)注度的持續(xù)升高，電化學(xué)傳感器在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用也是更加廣泛了。電化學(xué)因?yàn)槠潴w積小，靈敏度高，裝配便捷成為了傳感器領(lǐng)域的新興優(yōu)異的產(chǎn)品。

　　隨著新型功能化納米材的不斷涌現(xiàn)，電化學(xué)傳感器的一些缺陷將被克服，并在農(nóng)業(yè)，環(huán)境監(jiān)控和醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，尤其是在新型的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，電化學(xué)更體現(xiàn)出了它的價(jià)值。

　　據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CEA-Leti）開發(fā)出了一種采用中紅外硅光子學(xué)技術(shù)的下一代光學(xué)化學(xué)傳感器原型，可以集成在智能手機(jī)和其它便攜式設(shè)備中。

　　電化學(xué)傳感器可以用在對(duì)氣體的檢測上，它基本上可以檢測所有的大氣污染物，包括碳?xì)浠铮驶衔铩⒘蚧铩⒘蜓趸铩⒌趸铩⒌倪€原物和其它氣態(tài)物質(zhì)。

　　離子傳感器則是水體和土壤污染物檢測的有力手段，能測定許多陰、陽離子及有機(jī)物，包括鹵素離子、氰化物、各類金屬離子、酸根離子，有機(jī)污染物等，PH值和氟的測定是其*典型的應(yīng)用。部分離子傳感器還可用于氣體污染物分析。

　　電化學(xué)生物傳感器則可以用在水體檢測以及大氣環(huán)境監(jiān)測上面，如監(jiān)測水體的富營養(yǎng)化，BOD和重金屬離子濃度，大氣中SO2、CO2和NO2等。

　　在今后的一段時(shí)間里，電化學(xué)傳感器將被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，科研，國防，環(huán)境等領(lǐng)域。在眾多的傳感器類型中，電化學(xué)傳感器已然成為研究領(lǐng)域最多，應(yīng)用范圍做廣，技術(shù)最為成熟的一類傳感器。未來，傳感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月異的發(fā)展，具有特殊性能和優(yōu)點(diǎn)的電化學(xué)傳感器將會(huì)不斷涌現(xiàn)并進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。