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電化學傳感器原理、組成、應用及分類
發布日期：2021/02/26
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電化學傳感器是基于待測物的電化學性質并將待測物化學量轉變成電學量進行傳感檢測的一種傳感器，以下是關于電化學傳感器原理、組成、發展史、分類、電化學傳感器的應用前景的講解。
電化學傳感器的發展史，較早的電化學傳感器要追溯到20世紀50年代，在當時電化學傳感器應用于氧氣監測，到了20世紀80年代，電化學傳感器開始應用于監測各種各樣的有毒性氣體，并顯示出了良好的敏感型與選擇性。
一、電化學傳感器的工作原理
電化學傳感器通過與被測氣體發生百反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。大多數電化學氣體傳感器是電流傳感器，產生與氣體濃度成線性比例的電流。
一個電化學氣體傳感器的工作原理如下：與傳感器接觸的目標氣體分子首先通過一個防止冷凝的隔膜，它也起到防塵的作用。那么氣體分子通過毛細管擴散，可能通過隨后的過濾器，然后通過疏水膜到達感測電極的表面。在那里分子立即被氧化或還原，從而產生或消耗電子，從而產生電流。
重要的是要注意，用這種方法進入傳感器的氣體分子的量受到通過毛細管擴散的限制。通過優化路徑，根據期望的測量范圍，獲得適當的電信號。感測電極的設計對于實現對目標氣體的高反應性并抑制對干擾氣體的不希望響應是至關重要的。它涉及固體，液體和氣體三個階段的系統，并且都涉及分析物氣體的化學識別。致力于量身定制該系統并獲得高性能的氣體傳感器。電化學電池通過平衡感測電極處的反應的所謂反電極–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的電解質傳送，而電流路徑通過以銷連接器終止的導線提供。通常在電化學傳感器（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傳感器的操作，需要恒電位電路。
二、電化學傳感器的組成
電化學傳感器包含以下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傳感電極。孔徑尺寸還應該防止液態電解質泄漏或迅速燥結。
2、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，電極采用貴金屬制造，如鉑或金，在催化后與氣體分子發生有效反應。視傳感器的設計而定，為完成電解反應，三種電極可以采用不同材料來制作。
3、電解質：電解質必須能夠進行電解反應，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定的參考電勢并與傳感器內使用的材料兼容。如果電解質蒸發過于迅速，傳感器信號會減弱。
4、過濾器：有時候傳感器前方會安裝洗滌式過濾器以濾除不需要的氣體。過濾器的選擇范圍有限，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。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，電化學傳感器對其目標氣體可以具有更高的選擇性。
三、電化學傳感器的分類
電化學傳感器的分類方法很多，按照其輸出信號的不同可以分為電位型傳感器、電流型傳感器和電導型傳感器。
按照電化學傳感器所檢測的物質不同，電化學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、電化學傳感器主要性能與影響因素
（1）靈敏度
影響靈敏度因素主要有：催化劑活性、進氣量、電解液導電能力、環境溫度等
（2）響應恢復
影響響應恢復速度的因素主要有：催化劑活性、電解液導電能力、氣室結構、氣體特性等
（3）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
（4）重復性/長期穩定性
影響重復性的因素有：電極結構穩定性、電解液穩定性、氣路穩定性等
（5）高低溫性能
影響高低溫穩定性的因素有：催化劑活性、電極結構穩定性、氣體特性
五、電化學傳感器的應用前景
電化學傳感器廣泛應用于工業和民用領域的氣體檢測，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測儀表中。
下面我們來看看四大主要應用。
1、濕度傳感器
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系，高溫高濕時，由于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，常用于濕球溫濕度計、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，大量文獻報道用傳感器測定空氣濕度。用于測定相對濕度的涂覆壓電石英晶體用傳感器,通過光刻和化學蝕刻技術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,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,選擇適當涂層,該傳感器可用于測定不同氣體的相對濕度.該傳感器的靈敏度、響應線性、響應時間、選擇性、滯后現象和使用壽命等取決于涂層化學物質的性質。
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。我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,方法轉換系數受吸收液組成、二氧化氮濃度、采氣速度、吸收管結構、共存離子及溫度等多種因素的影響，未完全統一。傳感器測定是近年發展起來的新方法。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傳感器，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、硫化氫氣體傳感器
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。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傳感器的一項主要應用，但在短時期內半導體氣體傳感器還不能滿足監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傳感器構成，通過基于庫化滴定的通用分析裝置和半導體氣體傳感器陣列的信號，同時記錄二氧化硫和硫化氫濃度，實踐表明，在150℃下以恒溫方式的摻銀薄膜傳感器用于監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。應用傳感器監測二氧化硫。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。響應時間短，穩定性好，本底噪音低，線性范圍達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率液體中的二氧化硫。有機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制作的，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。
六、電化學傳感器未來發展趨勢
隨著物聯網的興起和人們對環境關注度的持續升高，電化學傳感器在環保領域應用也是更加廣泛了。電化學因為其體積小，靈敏度高，裝配便捷成為了傳感器領域的新興優異的產品。
隨著新型功能化納米材的不斷涌現，電化學傳感器的一些缺陷將被克服，并在農業，環境監控和醫療領域展現其應用價值，尤其是在新型的物聯網建設中，電化學更體現出了它的價值。
據麥姆斯咨詢報道，法國原子能委員會電子與信息技術實驗室（CEA-Leti）開發出了一種采用中紅外硅光子學技術的下一代光學化學傳感器原型，可以集成在智能手機和其它便攜式設備中。
電化學傳感器可以用在對氣體的檢測上，它基本上可以檢測所有的大氣污染物，包括碳氫化物，羰基化合物、硫化物、硫氧化物、氮氧化物、氮的還原物和其它氣態物質。
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、陽離子及有機物，包括鹵素離子、氰化物、各類金屬離子、酸根離子，有機污染物等，PH值和氟的測定是其*典型的應用。部分離子傳感器還可用于氣體污染物分析。
電化學生物傳感器則可以用在水體檢測以及大氣環境監測上面，如監測水體的富營養化，BOD和重金屬離子濃度，大氣中SO2、CO2和NO2等。
在今后的一段時間里，電化學傳感器將被廣泛應用于工業，科研，國防，環境等領域。在眾多的傳感器類型中，電化學傳感器已然成為研究領域最多，應用范圍做廣，技術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展，具有特殊性能和優點的電化學傳感器將會不斷涌現并進入實際應用。
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