何谓气体传感器　～气体传感器的检测原理～

短路电流式质子导体CO传感器的工作原理

TGS5xxx系列是一种利用短路电流作为传感器信号的质子导体一氧化碳(CO)传感器。
气敏层的基本组成部分包括：工作电极、对电极以及贴合于它们之间的质子导电膜。

当传感器置于洁净的空气中，工作电极与对电极之间没有通过外部导线连接时，即在开路条件下，工作电极和对电极上分别发生电化学反应(1)，使工作电极和对电极上都形成平衡电位(E1)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- ⇄ H₂O　...(1)

将传感器置于CO与空气的混合气体中，处于开路条件时，在工作电极上，同时以相同的速度发生着CO的阳极氧化反应(2)和氧气的阴极还原反应(3)，由此形成局部电池。

CO + H₂O → CO₂ + 2H⁺ + 2e^-　...(2)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- → H₂O　 ...(3)

结果,工作电极的电位从E1变为混合电位(EM)，正常情况下此时阳极电流i(2)和阴极电流i(3)的绝对值相等，处于稳定状态(图1)。到达工作电极的CO流入量受到扩散控制系统的限制(例如,TGS5xxx系列传感器中使用了不锈钢气体扩散控制片)，得到与CO浓度呈线性正比关系的扩散极限电流(图1)。由于在对电极上只发生了式(1)反应 ，所以对电极的电位仍然是E1。因此，这样的电位差型(混合电位型)传感器的灵敏信号可以由EM - E1给出，EM - E1信号与空气中CO浓度的对数呈比例关系。

当空气中存在CO时，通过外部导线将工作电极与对电极连接，形成短路状态后，如图1所示，两个电极的电位转变为介于E1和EM之间的一个相同值(Esc)。
由于工作电极的电位朝着使式(3)反应减速的方向变化，工作电极上消耗的质子逐渐趋少。因此，多余的质子将通过质子导电膜从工作电极向对电极转移，并且这些多余的质子数量与空气中的CO浓度成正比，它们在对电极上被式(3)的反应所消耗。这个过程就是等价电子作为短路电流(即传感器输出电流)通过外部导线从工作电极向对电极的流动，它也与CO浓度成直线性的比例关系(图2)。

将传感器移回至洁净空气中时，工作电极上只发生式(1)反应，由于两个电极之间的电位差消失，外部导线中电流无法通过。因此，本传感器对CO具有可逆的安培响应。

这种短路电流式CO传感器由于CO浓度与传感器输出电流之间呈线性关系，使其和传感器响应与空气中CO浓度对数成正比关系的电位差式CO传感器相比，可感应浓度更为精确。只要通过使用已知CO浓度的气体对输出电流进行校准，本传感器就可用于对CO浓度的定量检测。

通过外部电路的短路电流(传感器输出电流)与气体浓度呈式(4)所示的比例关系(图3)。

I = F × (A/σ) × D × C × n　...(4)

其中:
I: 传感器输出电流、F: 法拉第常数、
A: 质子交换膜针孔面积、σ：质子交换膜厚度、
D: 气体扩散系数、C: 气体浓度、n: 反应电子数

特点

与常规的干电池不同，传感器内部的固体液体活性材料或电极不会被消耗。这确保了本传感器良好的长期稳定性，并且可以长期免维护保养进行使用。 而且，本传感器不需要加热就能自发输出电流，是电池供电型一氧化碳探测器的理想选择。