催化燃燒式傳感器的工作原理

定義：催化燃燒式氣體傳感器是利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測元件和補償元件配對構(gòu)成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，載體溫度就升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號。

通過測量鉑絲的電阻變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。主要用于可燃性氣體的檢測，具有輸出信號線性好，指數(shù)可靠，價格實惠，不會與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染。

原理：一般由線徑15um或20um或30um的高純度鉑線圈并在其外包裹載體催化劑形式球體，在一定的溫度條件下，當(dāng)可燃性氣體與上述球體接觸時會與其表面的吸附氧發(fā)生劇烈的無焰燃燒反應(yīng)，反應(yīng)釋放的熱量導(dǎo)致鉑線圈溫度變化，溫度變化又導(dǎo)致鉑線圈電阻發(fā)生變化，測量電阻變化就可以測到氣體濃度，因此與其說催化元件是氣體傳感器不如說其是個溫度傳感器，為克服環(huán)境溫度變化帶來的干擾，催化元件會成對構(gòu)成一支完整的元件，這一對中一個對氣體有反應(yīng)，另一個對氣體無反應(yīng)，而只對環(huán)境溫度有反應(yīng)，這樣兩支元件相互對沖就可以消除環(huán)境溫度變化帶來的干擾。

從溫度傳感器去理解催化元件會在開發(fā)、應(yīng)用時引導(dǎo)，我們不僅僅關(guān)注傳感過程中化學(xué)反應(yīng)本身，也會吸引我們?nèi)ジ嗟年P(guān)注傳感過程與溫度有關(guān)的溫度場的分布與變化、溫度場與傳感器球體的位移關(guān)系、熱傳導(dǎo)與熱幅射及傳質(zhì)與熱傳導(dǎo)等。

實際上，決定催化元件性能的因素中，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生只是眾多傳感要素中不太重要的要素，和熱傳遞相關(guān)的因素才是最核心的。

催化燃燒式傳感器原理圖

和半導(dǎo)體元件不同，催化元件傳感過程較為復(fù)雜，前者是氣體與傳感器接觸后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)直接導(dǎo)致傳感器電阻即電信號的變化，后者則是氣體在催化元件上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，首先導(dǎo)致的結(jié)果是傳感器載體表面及載體內(nèi)部的溫度變化，載體的溫度變化經(jīng)過熱傳遞最終導(dǎo)致鉑線圈電阻的變化，完成傳感的全過程。

傳感過程復(fù)雜，導(dǎo)致問題產(chǎn)生的幾率就大一些，比如：

1、積碳問題

長分子鏈的有機物以及不飽和烴，對半導(dǎo)體來說，不完全反應(yīng)導(dǎo)致的積碳只會對反應(yīng)過程產(chǎn)生影響，而不會對電子傳輸產(chǎn)生大的影響。而對催化來講，碳的存在不僅影響反應(yīng)過程，更會對熱傳遞產(chǎn)生劇烈影響，結(jié)果是反應(yīng)產(chǎn)生的熱量向傳感器內(nèi)部傳遞效率變低了，熱量大都散失掉了，最終是同樣的氣體濃度，釋放同樣的熱，由于炭的存在，導(dǎo)致傳感器：溫度只有很小的變化，即靈敏度變得很低。

2、中毒問題

因為需要熱傳遞，為了保證熱效率，反應(yīng)必須在瞬間完成，即要求有極高的反應(yīng)效率，就需要有大量的納米級的催化劑以及納米級的孔，這樣的特征有利于傳感也有利于中毒。

3、線性問題

催化元件的線性是由兩個因素決定：

a、溫度傳感材料pt線圈的電阻~溫度特性是線性的。b、爆炸下限以內(nèi)反應(yīng)放熱和氣體濃度是線性的。

因此，兩個因素任一發(fā)生變化，就會導(dǎo)致傳感器線性變化。實際上，鉑線圈會持續(xù)升華變細(xì)即導(dǎo)阻變大，反應(yīng)釋放的熱量與濃度的線性關(guān)系只在氣體濃度為爆炸下限以內(nèi)時才成立。

小結(jié)：

催化元件不會被淘汰，催化元件的未來主要取決于工藝技術(shù)的進(jìn)步：

1、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，解決的問題是震動引起的漂移；

2、過濾層改進(jìn)，解決的問題是中毒；

3、開發(fā)新材料改善積碳；

4、制造過程對設(shè)計實現(xiàn)的保障如避免形變；

5、MEMS化（需要說明的是，器件結(jié)構(gòu)、封裝、制造工藝的改進(jìn)不僅會改善元件的綜合性能，也會引發(fā)新的應(yīng)用。和半導(dǎo)體相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面積下有更高的催化效率、熱效率）；

6、應(yīng)用定位需更精準(zhǔn)更專一。