電化學氣體感測器

1962年田口先生開始研究，並變成世界上第一個成功用簡單電子線路探測低濃度易燃和還原氣體，發展為半導體器件的人。以這種技術為基礎的器件常稱為（TGS）（田口氣體探測器）。

感測器有二或三個和電解液接觸的電極，偶也爾有四個電極。典型電極由大表面積貴金屬和多孔厭水膜組成。電極和電解液和周圍空氣接觸，並由多孔膜監測。一般用礦物酸作電解液。但有些感測器也用有機電解液。電極一般放在有氣體進孔和電接觸的塑料盒內。

a）二電極感測器

所有這類感測器都屬於“自發系統”，反應氣體在敏感電極上電化學氧化，而在對電極上則是氧的還原。敏感電極的工作電位將“跟隨”對電極電位的變化而變化，在嚴重過載的情況下，甚至可以達到外電路無電流輸出。在這一條件下有兩種不同的情況可能發生：

i）在敏感電極的表面派生出局部電池，即在一部分表面反應氣體氧化，而另一部分表面則氧還原，其結果是外電路電流降低。

ii）敏感電極的電位由於極化以至於反應氣體的靜止電位低到沒有凈的氧化反應發生。

試驗表明當兩電極感測器通入的氣體濃度超過其標稱極限時會出現靈敏度降低現象，氣體濃度再提高，以至超過某一過載濃度時，就會出現信號失真。所有本公司的感測器，在氣體濃度達到1%至10%時都會出現“飽和”現象，產生一個約50mA的最大電流。

註：將試驗氣體撤出后，感測器在經過一段恢復時間后就會恢復到正常工作狀態，至於恢復時間的長短要依所通氣體的濃度通氣時間的長短而定。

b）三電極感測器

在三電極系統中，敏感電極的電位是由一外面的運算放大器電路相對於一不極化的參考電極控制著的。與兩電極系統不同，敏感電極的電位與對電極的極化無關。試驗表明這些感測器的輸出隨氣體濃度的增大而線性增加，直至外控制的放大器達到飽和為止，通常用於三電極的放大器其最大電流極限不大可能超過50mA。

d）四電極感測器

四電極感測器是在三電極感測器基礎上再增加一個工作電極。這種感測器因為有針對兩種氣體的兩個工作電極，因些可以同時檢測兩種氣體。如CITY公司的A3系列和A7系列感測器。

氣體通過多孔膜背面擴散入感測器的工作電極，在此氣體被氧化或還原，這種電化學反應引起流經外部線路的電流。除測量外，還要放大和進行其它信號加工；外線路維持經過感測器的電壓和一個二電極反向參考感測器的電壓。在反向電極產生一相反的反應。這樣，如工作電極是氧化，則相反電極就是還原。

電流大小由研究對象氣體在工作電極處氧化多少所控制。感測器是經過設計的，因此，氣體供應受擴散限制，而感測器是正比於氣體濃度的線性輸出。線性輸出是電化學感測器比其它技術感測器（即紅外）的優點之一。其它的感測器要在輸出前線性化。線性輸出允許較精確地測量低濃度，並校正簡單（只需校正底線和一個點）。

控制擴散提供另一優點。改表擴散勢壘可製造適合特別對象的氣體濃度範圍。再有，擴散勢壘是主要的機械部份，電化學感測器一經校正後，隨時間較穩定。因此，以電化學感測器為基的儀器比一些其它技術的探測器要求較少維護。原則上，靈敏度基於氣體通入感測器通路的擴散性質可以計算。雖然測量擴散性質的實驗誤差使計算較用氣體校正的精度較小。

（Cross-sensitivity)

對一些氣體，如環氧乙烷的交叉靈敏度可能是個問題，因為乙烷要求一個活性好的工作電極催化和氧化的高電勢。因此，較易氧化氣體，如酒和一氧化碳。也有類似的問題。交叉靈敏度問題可通過使用化學過濾消除。例如。過濾器可使對象氣體暢通，但濾除干擾氣體。

儘管電化學感測器有許多優點，但它並不適合每一種氣體。這是由於它的探測機理包括氣體的氧化或還原。雖然它可間接探測電化學惰性氣體，如這氣體和其它樣品在感測器內反應併產生回應，但電化學氣體感測器一般僅適用於電化學性能活潑的氣體。二氧化碳感測器是這種接近的例子（即不能用電化學氣體感測器測二氧化碳），它們已商品化幾年了。

電化學氣體相當一部分的可燃性的、有毒有害氣體都有電化學活性，可以被電化學氧化或者還原。利用這些反應，可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學分很多子類：

(1)、原電池型氣體感測器(也稱：加伏尼電池型氣體感測器，也有稱燃料電池型氣體感測器，也有稱自發電池型氣體感測器)，他們的原理行同我們用的乾電池，只是，電池的碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣感測器為例，氧在陰極被還原，電子通過電流表流到陽極，在那裡鉛金屬被氧化。電流的大小與氧氣的濃度直接相關。這種感測器可以有效地檢測氧氣。

(2)、恆定電位電解池型氣體感測器，這種感測器用於檢測還原性氣體非常有效，它的原理與原電池型感測器不一樣，它的電化學反應是在電流強制下發生的，是一種真正的庫侖分析的感測器。這種感測器已經成功地用於：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體的檢測之中，是目前有毒有害的主流感測器。

(3)、濃差電池型氣體感測器，具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側，會自發形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關，這種感測器的成功實例就是汽車用氧氣感測器、固體電解質型二氧化碳感測器。

(4)、極限電流型氣體感測器，有一種測量氧氣濃度的感測器利用電化池中的極限電流與載流子濃度相關的原理製備氧(氣)濃度感測器，用於汽車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。

電化學氣體感測器應用領域很廣，可用於化工、採礦、軍事等行業的安全檢測、環保監測、生產過程式控制制等。這種電化學氣體感測器具有體積小、檢測速度快、準確、便於攜帶、可現場直接檢測和連續檢測等獨特優點，優於過去在以上行業占主導地位的光學和光譜等氣體檢測方法。它對於改善人類的生活環境，保障人們身心健康有著重要的現實意義，因此具有良好的市場前景。