電化學(xué)傳感器簡介【摘自“AZ檢測”】

電化學(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生于氣體濃度成正比的電信號來工作。

一、電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)及工作過程

典型的電化學(xué)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。

1、  被測氣通過疏水半透性的薄膜，擴(kuò)散進(jìn)入傳感器。這種薄膜可以允許適量的氣體進(jìn)入，形成充分的電信號，且防止電解液漏出傳感器。

2、  穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感器電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理或者只是引起PH值變換。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進(jìn)行催化。分子擴(kuò)散通過半透膜，在電極表面發(fā)生反應(yīng)，擴(kuò)散過程遵循菲克定律：擴(kuò)散速率與外部濃度成比例，因此傳感器信號與外部氣體濃度成比例。

3、  通過電極間連接的電阻器，與被測氣體濃度成正比的電流會在正極與負(fù)極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。反應(yīng)產(chǎn)生的電流與擴(kuò)散進(jìn) 入的氣體濃度成比例。

4、  外部連接恒電位儀，量化輸出值。

二、電化學(xué)傳感器類型：

1、2電極傳感器。如圖1。

含鉛氧傳感器是最常見的2電極傳感器，其金屬-空氣型電池由空氣極，陰極和電解液組成。氧傳感器都是自身供電，是一種電流源。電流大小相應(yīng)地取決于氧氣反應(yīng)速度。如果通過傳感器的氧氣流量是完全有限擴(kuò)散的，這個電信號就可以反映出氧氣濃度。氧氣傳感器是通過外接一個低阻值電阻而產(chǎn)生電壓信號來實(shí)現(xiàn)的。

2、3電極傳感器，在2電極基礎(chǔ)上加參考極。如圖2.

在實(shí)際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，傳感器電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過較長一段時間后，它會導(dǎo)致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入?yún)⒖茧姌O，參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感器電極發(fā)生反應(yīng)，同時測量反電極，測量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目標(biāo)氣體。

三、傳感器內(nèi)部狀態(tài)：

圖中綠色表示傳感器前端的半透膜，黑色表示催化劑，紅色表示電解液。

1、如下圖，電解液潤濕催化劑表層，氣體擴(kuò)散到達(dá)催化劑表層發(fā)生反應(yīng)，電子、離子等反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)電解液到到電極。

2、如下圖，電解液漫過催化劑并滲透進(jìn)入半透膜的孔隙中，會阻礙進(jìn)氣接觸催化劑，從而造成傳感器響應(yīng)時間和靈敏度等性能損失。

3、如下圖，催化劑與電解液幾乎沒有接觸，反應(yīng)產(chǎn)物的傳遞受限，降低傳感器響應(yīng)時間和靈敏度等性能指標(biāo)。

電化學(xué)傳感器對工作電源的要求很低。電化學(xué)傳感器通常對目標(biāo)氣體具有較高的選擇性。普通電化學(xué)傳感器內(nèi)電池的電解質(zhì)是一種水溶劑，用憎水屏障予以隔離，憎水屏障具有防治水溶劑泄漏的作用。然而，和其他氣體分子一樣，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(dǎo)致過量水分蓄積并導(dǎo)致泄露。在低潮濕條件下，傳感器可能燥結(jié)。電化學(xué)傳感器對溫度也非常敏感，因此通常采取內(nèi)部溫度補(bǔ)償。相比較普通電化學(xué)，固態(tài)電化學(xué)傳感器優(yōu)勢更為明顯，也是未來主流的產(chǎn)品。