气敏材料和气敏气体的研究:氮氧化物传感器的研究现状分析
气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。目前，气体的采样方法主要是通过简单的扩散法或吸入气体进入探测器。
简单扩散利用了气体到处自然扩散的优势。目标气体通过探头中的传感器，产生与气体体积分数成比例的信号。因为扩散过程是逐渐变慢的，所以扩散法要求探头的位置离测量点非常近。扩散法的一个优点是气体样品不经物理和化学转化直接引入传感器。吸样探针通常用于在加工仪器或排气管附近取样。这种技术可以为传感器提供稳定的、速度可控的气流，所以在气流大小和速度经常变化的情况下，这种方法值得推荐。气体样品从测量点到测量探头可能需要一段距离，距离的长短主要取决于传感器的设计，但长的采样线会增加测量滞后时间，滞后时间是采样线长度和气体从泄漏点到传感器的流速的函数。对于某些目标气体和蒸汽，如SiH4和大多数生物溶剂，气体和蒸汽的取样量可能会减少，因为它们会吸附甚至凝结在取样管壁上。
气体传感器是化学传感器的一大类。从工作原理、特性分析到测量技术，从使用的材料到制造技术，从检测对象到应用领域，都可以形成独立的分类标准，衍生出各种分类体系，尤其是在分类标准问题上，目前并不统一，严格分类相当困难。
1的主要功能
1.1稳定性
稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指没有目标气体时，传感器输出响应在整个工作时间内的变化。区间漂移是指连续放置在目标气体中的传感器输出响应的变化，表现为传感器在工作时间内输出信号的减小。理想情况下，在连续工作条件下，传感器的年度零点漂移小于10%。
1.2灵敏度
灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量的比值，主要取决于传感器结构所采用的技术。大多数气体传感器的设计原理采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种灵敏的技术，这种技术足够灵敏，能够检测出目标气体的TLV-阈值-旧极限值或LEL-爆炸下限的百分比。
1.3选择性
选择性也称为交叉敏感性。它可以通过测量由一定浓度的干扰气体产生的传感器响应来确定。这种响应相当于一定浓度的目标气体产生的传感器响应。这一特性在跟踪多种气体的应用中非常重要，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想的传感器应该具有高灵敏度和高选择性。
1.4耐腐蚀性
耐腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体的能力。当大量气体泄漏时，探头应能承受预期气体体积分数10~20倍。当回到正常工作状态时，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。
气体传感器的基本特性，如灵敏度、选择性和稳定性，主要取决于材料的选择。选择合适的材料并开发新材料以优化气体传感器的灵敏度。
2主要原则和分类
一般可按气敏特性分类，主要可分为:半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧气体传感器、光化学气体传感器、聚合物气体传感器等。
2.1半导体气体传感器
半导体气体传感器是由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位的变化。这些都是由材料的半导体特性决定的。
自1962半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已成为应用最广泛、最实用的气体传感器。根据其气敏机理，可分为电阻式和非电阻式。
电阻式半导体气体传感器主要指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是由金属氧化物薄膜(如Sn02、ZnO、Fe203、Ti02等)制成的阻抗器件。)，其电阻随气体含量而变化。气味分子在薄膜表面发生还原反应，引起传感器电导率的变化。为了消除气味分子，还必须发生氧化反应。传感器中的加热器有助于氧化反应过程。它具有成本低、制造简单、灵敏度高、响应快、寿命长、对湿度不敏感、电路简单等优点。缺点是必须在高温下工作，对气味或气体的选择性差，元件参数分散，稳定性不理想，功率要求高。当检测气体中混入硫化物时，容易中毒。现在，除了传统的SnO、SnO 2和Fe203三大类外，还开发了一批新材料，包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料和混合金属氧化物材料。这些新材料的研究和发展极大地提高了气体传感器的特性和应用范围。此外，通过在半导体中添加贵金属如Pt、Pd和Ir，可以有效地提高元件的灵敏度和响应时间。可以降低被测气体的化学吸附活化能，因此可以提高其灵敏度，加快反应速度。不同的催化剂导致不同的吸附样品，从而具有选择性。如各种贵金属掺杂的Sn02基半导体气敏材料，Pt、Pd、Au提高了对CH4的灵敏度，Ir降低了对CH4的灵敏度；铂和金增加了对H2的灵敏度，而钯降低了对H2的灵敏度。采用薄膜技术和超微粒薄膜技术制造的金属氧化物气体传感器具有灵敏度高(可达10-9)、一致性好、小型化、易于集成等特点。
非电阻半导体气体传感器是MOS二极管、结型二极管和场效应晶体管(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随气体含量而变化，主要检测氢气、硅燃烧气体等可燃气体。其中，MOSFET气体传感器的工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如纽扣)发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析设备性能的变化来识别VOC。通过改变催化金属的类型和薄膜厚度，可以优化灵敏度和选择性，并且可以改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高，但制造工艺复杂，成本高。
2.2电化学气体传感器
电化学气体传感器可分为四种类型:原电池型、可控电位电解型、电量型和离子电极型。伽伐尼气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数。市面上几乎所有检测缺氧的仪器都配有这种传感器。近年来，已经开发了用于检测酸性气体和有毒气体的伽伐尼气体传感器。可控电位电解传感器通过测量电解过程中流动的电流来检测气体的体积分数。与原电池传感器不同的是，它需要从外部施加特定的电压，不仅可以检测CO、NO、NO2、O2、S02等气体，还可以检测血液中氧气的体积分数。电气体传感器通过被测气体与电解液反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极气体传感器出现较早，电化学气体传感器的主要优点是通过测量离子极化电流来检测气体，灵敏度高，选择性好。
2.3固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。自20世纪70年代以来，固体电解质气体传感器以其高电导率、良好的灵敏度和选择性得到了迅速发展。现在几乎应用于环保、节能、采矿、汽车工业等各个领域。，产量大，应用广，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。最近，国外一些学者将固体电解质气体传感器分为以下三类:
1)传感器，例如氧传感器，其中从待检测的气体中得到的离子与电解质中运动的离子相同。
2)来源于吸附在材料中的待测气体的离子不同于电解质中的运动离子，如固体电解质SrF2H和Pt电极组成的气体传感器，用于测量氧气。
3)吸附在材料中的来自待测气体的离子不同于电解质中的运动离子和材料中的固定离子。例如，新开发的高质量CO2固体电解质气体传感器由固体电解质NASICON(Na3Zr2Si2P012)和辅助电极材料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03、Li2C03- BaC03组成。
目前新开发的高质量固体电解质传感器大多属于第三类。另一个例子是由固体电解质NaSiCON和辅助电极NO2-li2c 03制成的传感器，用于测量NO2；测量H2S的固体电解质YST-金-氧化钨传感器:由固体电解质NH4-ca2o 3制成的用于测量NH3的传感器；由固体电解质Ag0.4Na7.6和电极Ag-Au制成的用于测量NO2的传感器等。
2.4接触燃烧气体传感器
接触燃烧气体传感器可分为直接接触燃烧型和催化接触燃烧型。其工作原理是，当气体敏感材料(如铂加热丝等。)通电，可燃气体在催化剂的作用下氧化燃烧，电热丝因燃烧而发热，使其电阻值发生变化。这类传感器对不可燃气体不敏感，如在引线上涂上活性催化剂Rh和Pd制成的传感器具有广谱特性，即能检测各种可燃气体。这种传感器有时被称为热导传感器，广泛用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室、厨房等场所可燃气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，可以在爆炸下限检测大多数可燃气体。
2.5光学气体传感器
光学气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等。，主要是红外吸收式气体分析仪。由于不同气体的红外吸收峰不同，所以通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前，最新的趋势是开发具有流体切换、直接流量测量和傅立叶变换的在线红外分析仪。该传感器具有很高的抗振动和抗污染能力。与计算机结合，可对气体进行连续测试和分析，并具有自动校正和自动操作功能。光学气体传感器还包括化学发光、光纤荧光和光纤波导，其主要优点是灵敏度高、可靠性好。
光纤气体传感器的主体是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质包含固定在有机聚合物基质上的荧光染料。当VOC与荧光染料反应时，染料的极性发生变化，其荧光发射光谱发生偏移。当传感器受到光脉冲照射时，荧光染料会发出不同频率的光，通过检测荧光染料发出的光可以识别VOC。
2.6聚合物气体传感器
近年来，国外聚合物气敏材料的研究和开发取得了很大进展。高分子气敏材料因其易操作、工艺简单、室温选择性好、价格低廉、易于与微结构传感器和声表面波器件结合等优点，在有毒气体和食品新鲜度的检测中发挥着重要作用。聚合物气体传感器根据其气敏特性主要可分为以下几类:
l)聚合物电阻气体传感器
这种传感器通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数。目前主要材料有菁聚合物、LB膜、聚吡咯等。其主要优点是制造工艺简单，成本低。然而，这种气体传感器需要通过电聚合来激活，这非常耗时，并且会造成不同批次产品之间的性能差异。
2)浓差电池气体传感器
浓差电池气体传感器的工作原理是气敏材料吸收气体时形成浓差电池，通过测量电动势输出可以测出气体的体积分数。目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。
3)声表面波气体传感器声表面波气体传感器制作在压电材料的基底上，一端的表面作为输入传感器，另一端作为输出传感器。能够吸收VOC的聚合物膜沉积在它们之间的区域。吸附的分子增加了传感器的质量，从而改变了声波在材料表面的传播速度或频率。气体体积分数可以通过测量声波的速度或频率来测量。