气敏传感器也叫电子鼻。传感器(sensor)与气相色谱仪的检测器(detector)实际上是同一种东西，不过传感器对气体的选择性差，而气相色谱仪的检测器的选择性是非常好的，这是因为色谱仪中的色谱柱起到关键作用，色谱柱把待测的混合气体进行分离后，被测气体经载气携带流入到检测器(或传感器)中，这样传感器在气相色谱仪中起到检测器的作用。用通常传感器作气相色谱仪的检测器的例子非常多，如国产的气敏色谱仪就是一个很好例子，这种气敏色谱仪实质上是氢敏色谱仪，测痕量氢的检测限低于0.1 ppb。

传感器的应用已经涉及国民经济的所有领域。气敏传感器是一种能感知环境中某种气体(定性)及浓度(定量)的元器件，它利用化学或物理效应把某些气体及其浓度的相关信息转换成电信号，经电路处理后进行监测、监控和报警。气敏传感器在环保、家用电器、集成电路(光伏、光纤)工厂车间、实验室、消防、公共交通、矿山得到广泛应用，如煤矿瓦斯爆炸、交警用的乙醇检测仪已经深入到每家每户。

一、常见气敏元件的分类

由于气体种类繁多，性质各不相同，因此气敏元件的种类也很多，所以分类很复杂，不能固定一种模式。一般气敏传感器是把气体的组分浓度转换成电阻变化，进而转换成电压或电流信号输出的传感器，通常气敏电阻是SnO₂、ZnO、In₂O₃、Fe₂O₃等材料，近年来发现碳纳米管和石墨烯具有灵敏度高、响应时间和恢复时间更短的优势，备受注意。

表5.1列出了按物理和化学反应来区分的气敏元件的类型及特征，它们实现气电转换的原理各不相同，按敏感元件的材料分类，气敏元件可分为半导体和非半导体两大类，其中半导体类的气敏元件应用最广，如果按被测气体来分就复杂了。

表5.1气敏传感器示例

1.半导体气敏材料及气敏传感器

半导体气敏传感器可分为半导体电阻式气敏传感器和半导体型(二极管和晶体管式)气敏传感器两大类。半导体电阻式气敏传感器是目前广泛应用的气体传感器之一，依据工作原理又可分为表面控制型、体积控制型和表面电位型三种传感器。它们都是利用金属氧化物半导体与气体(可以是氧化型气体如O₂、C1₂、F₂等，也可以是还原型气体如H₂、CH₄ ,磷烷、砷烷类气)接触时，材料电导率发生变化的原理进行设计和制作的。半导体电阻式气敏传感器是各类气敏传感器中颇受重视的一类，其中金属氧化物半导体电阻式气敏传感器又是重要一员。该类气敏传感器是利用金属氧化物(包括复合氧化物)作为基体材料，添加一定的催化剂或其他添加剂来制作。当气体吸附于该半导体表面时，将引起总电导率发生变化，从而使传感器的电阻随气体浓度发生变化，这就是金属氧化物半导体气敏传感器的工作原理。

材料与器件的一体化是金属氧化物半导体电阻式气敏传感器的一大特征，因此，气敏性能、气敏材料和气敏器件构成了这类气敏传感器研究与应用中的主要内容。其中气敏材料制造技术、表征技术、气敏性能测试构成气敏材料的主要内容；而器件结构设计、器件制作技术、器件工作方式构成了气敏器件的核心内容。探索气敏的本质及其与被测物种间的关系则构成了人们理解气敏性能的关键。以上这些研究成果促使金属氧化物半导体电阻式气敏传感器的发展和进步。

2.燃烧式气敏传感器

燃烧式气敏传感器是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，传感器温度升高，这种温度变化可使贵金属电极电导随之变化的原理而设计的。它的结构与半导体电阻式直热式烧结型气体传感器的结构相似，将贵金属细丝绕成线圈状，然后把它放在用添加了Pt、Pd等贵金属催化剂的催化载体材料制成的球粒状的载体上，最后在一定温度下锻烧而成。其工作原理是：可燃性气体(如H₂、CO、CH₄、LPG)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触发热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大(由于铂具有正温度系数，所以温度升高时，电阻值也相应增加，在温度不太高时，温度与电阻率具有良好的线性关系)。

这种气敏传感器主要应用在还原性气体测定。

3．电化学气敏传感器

利用电化学原理制成的气敏传感器主要采用恒电位电解方式和伽伐尼电池(即原电池)方式工作，即当气体存在于由Pt、Au等贵金属电极，比较电极和电解质(固态或液态)组成的电池中时，气体会与电解质发生化学反应或在电极表面发生氧化一还原反应，而在两个电极之间有电流或电压输出。凡是利用这类特性来检测气体成分及浓度的传感器，统称为电化学气敏传感器。电化学传感器的构成是：将两个反应电极(工作电极)、对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中，然后在反应电极之间加上足够的电压，使得透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体浓度。

20世纪80年代发现了一类电导率可以与液体电解质比拟的固体材料，这是一类介于普通固体和液体之间的特殊固体材料，由于离子具有类似于液体的快速迁移特性，因此又称快离子导体或固体电解质。这类由陶瓷组成的固体电解质的电导率比经典的离子导体如碱金属卤化物要高上十几个数量级。从理论上讲，没有缺陷的离子晶体是绝缘体，经典离子晶体不高的导电率来源于杂质或热激活引起的小量点缺陷的迁移。电解质陶瓷如此之高的电导率绝非借助于少量点缺陷的迁移所能达到的。和普通金属导体(依靠电子迁移而导电)不同，固体电解质在传输电荷的同时，还伴随有离子的迁移，这使它们有不同于电子导体的特殊用途。

目前，由电化学气敏传感器测定的气体包括：CO、H₂S、SO₂、NO、NO₂、NH₃、C1₂、HCN、HCl和环氧乙烷等，在电子工业中应用很广。需要说明的是溶液电解质式的电化学传感器与固体电解质式的电化学传感器在结构上有很大差别，但是它们都以离子传导为共同特征，它们的气敏特性都受到气体(分子态或离子态)的扩散行为所控制。这类气体传感器的结构简单、选择性好，而且能快速响应，便于自动控制和测量，特别是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶劣环境和高浓度的场合。在化学电源方面，固体电解质蓄电池能够突破以水溶液作电解质的传统蓄电池的局限，同时获得高的比能量和比功率；另外，固体电解质蓄电池在电化学传感器方面也显示出其独特的优势，优势大小取决干陶瓷两侧的浓度差。如果一侧的浓度已知，根据公式可求出另一侧离子的未知浓度。这种通过电势测量直接测定气体(包括溶液、熔体)中某一个元素或离子浓度的方法具有设备简单、操作方便、快速等优点，是生产过程自动化的帮手。通过这一原理制造的气体传感器即固体电解质传感器，这是一种新型的固态式电化学气体传感器。其中高温ZrO₂氧传感器(包括气相色谱仪的检测器)已经商品化，对氧的测试灵敏度很高。这种传感器结构简单、工作可靠，能分析多种气体中氧浓度，其测量灵敏度从10^-6％～100％，而且响应一般小于5秒。固体电解质氧传感器被研究最多，所用材料主要是那些出现氧空位扩散而具有离子导电性的氧化物烧结体。随之出现了许多其他气体敏感的超离子导体(super-ionic conductor)

(1)固体电解质氧传感器

固体电解质氧传感器是利用固体电解质的氧离子导电特性工作的。由ZrO₂添加Y₂O₃、CaO等氧化物后，成型为管状结构，经过高温合成形成萤石型立方晶体固溶体，此时在固溶体中存在氧空位，在烧结体的内外管面上制备多孔质贵金属电极。这样在一定高温下，当致密管体内外两侧的氧浓度不同时，就出现高浓度侧氧离子通过固溶体氧空位向低氧浓度一侧迁移，从而形成氧离子导电，这样在固体电解质两侧电极上产生氧浓差电池，因此它是一种浓差电池。氧传感器的结构示意图见图5.1。

图5.1固体电解质氧传感器结构示意图

1-ZrO₂烧结体(添加Y₂O₃、CaO);2-多孔质贵金属电极；3-电极

根据能斯特效应，在固体电解质两侧电极上产生氧浓差电势可用下式来表示：

E＝(RT/4F)·ln(P_n/P_m)               (5-1)

式中，F为法拉第常数；R为气体常数；T为工作温度；P_n为管内氧浓度；P_m为管外氧浓度(参比氧浓度)。

由方程式(5-1)可知，为了测出气体中氧含量，必须使固体电解质恒定在一定温度(400～800℃)，同时参比氧浓度要已知。所以在使用时，通常使管的一侧与含氧浓度恒定的大气相接触，另一侧与待测气体相接触，这样只要测定管两侧的电位差E就可以知道固体电解质测量电极侧的被测气体的氧含量了。固体电解质均采用管状结构，这种结构可以采用一侧开口，也可以采用两侧开口，而在使用时，引入被测气体有直接式和扩散式两种。这种氧传感器灵敏度很高，已经应用在石油、化工、冶金、电力等部门。由于电子气如烷类、氟化物为主要用气，因此应用有限，只有与色谱柱配合，作为色谱仪的检测器才是很有用的。

(2)固体电解质SO₂传感器

硫的氧化物有SO₂ 和SO₃，是金属冶炼过程及工业用炉排放出来非常有害的气体组分，大气中的SO₂含量会引起“酸雨”。最早的SO₂电化学传感器是采用液态的Li₂SO₄-K₂SO₄-Na₂SO₄、的电解质熔盐体系，但是熔盐反应活性高，应用受限制。鉴于碱金属硫酸盐的高温相显示离子导电，因而转向开发硫酸盐固体电解质传感器，构成浓差电池型的SO₂传感器，它们的典型形式如下：

Ag|Ag₂SO₄-K₂SO₄|K₂SO₄|SO₃，O₂，Pt

该类电池的电动势是由两个电极上的SO₃和O₂浓度差来确定的，电池的一室用已知Pso₂(in)的气体为参比，则另一室的未知SO_x就可以通过电动势的测定而求出。在检测过程中，为了确保SO_x达到平衡浓度，常常要用催化剂，如金属铂(或铂网、铂石棉等)和VO或钒酸盐。当然，不用催化剂的硫酸盐的固体SO_x电解质传感器可用于测定气体中的本征SO₂含量。由于Na₂SO₄比K₂SO₄具有更高的离子电导，且较难形成焦硫酸盐，因而可能提高SO_x检测浓度，通常认为采用Na₂SO₄、为SO_x传感器的电解质要比用K₂SO₄更好。但是碱金属硫酸盐SO_x传感器在实际应用中仍然存在着一些缺陷，如工作温度普遍较高(600℃以上)、无法在还原气氛中使用、由于烧结性能不佳而不致密、Na₂SO₄因相变体积变化产生微裂缝等，这些因素导致这类气体传感器在使用条件、应用场合上受较大限制，而且气体通过这些微缺陷(裂缝、孔洞)的渗透造成测量电动势与理论值之间存在差异，因而不适宜在高浓度或大的分压差下使用。

为了解决这些问题，人们开始寻求一种新的固体电解质，使在两极间的反应与用Na₂SO₄等作电解质一样，但又不具有上述缺点，超离子导体和β-A1₂O₃就是这一探索的结果。这两类化合物具有良好的烧结性能、致密性和稳定性，都是从室温到上千度不发生体积变化和相变的优良钠离子导体，并且具有离子变换特性，得到各种不同的离子导体。日本专利提出用

Pt,SO'₂,O'₂，SO'₃|NASICON|SO'₃,O'₂,SO'₂,Pt

或者用

Pt,SO'₂,O'₂,SO'₃|β-A1₂O₃|SO'₃,O'₂,SO'₂,Pt

来表示浓差电池。这两种电池在1178K温度下电动势的测定值与计算值相符，而且温度与浓度的线性关系很好。

(3)固体电解质CO₂传感器

二氧化碳传感器采用的是K₂CO₃固体电解质。初期的固体电解质CO₂传感器的电极采用单一碳酸盐材料，因而受水蒸气的影响很大，不能实用化，经过不断改进，改用ZrO2-MgO(典型的氧化物离子导体)，设计了一种CO₂传感器，这种对CO₂敏感的传感器有一些突出的优点，如化学和机械方法很显稳定，不久人们发现LiF阴离子F-导体)与金属碳酸盐相结合制造成CO₂传感器具有良好的气敏特性，在此基础上用稳定的锆酸盐(阴离子导体)/碳酸盐(阳离子导体)相结合而成了传感器：

CO₂^＋空气Au|Li₂CO₃|ZrO₂-MgO(MSZ)|Pt，空气+(CO₂)这里的氧化镁起到稳定材料作用，所制成的固态电化学式CO₂传感器在400～600℃对空气中含量100～1000ml/m³的响应非常好，响应时间为几十秒。