催化燃烧式传感器的工作原理

定义：催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。

通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格实惠，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。

原理：一般由线径15um或20um或30um的高纯度铂线圈并在其外包裹载体催化剂形式球体，在一定的温度条件下，当可燃性气体与上述球体接触时会与其表面的吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，反应释放的热量导致铂线圈温度变化，温度变化又导致铂线圈电阻发生变化，测量电阻变化就可以测到气体浓度，因此与其说催化元件是气体传感器不如说其是个温度传感器，为克服环境温度变化带来的干扰，催化元件会成对构成一支完整的元件，这一对中一个对气体有反应，另一个对气体无反应，而只对环境温度有反应，这样两支元件相互对冲就可以消除环境温度变化带来的干扰。

从温度传感器去理解催化元件会在开发、应用时引导，我们不仅仅关注传感过程中化学反应本身，也会吸引我们去更多的关注传感过程与温度有关的温度场的分布与变化、温度场与传感器球体的位移关系、热传导与热幅射及传质与热传导等。

实际上，决定催化元件性能的因素中，促使化学反应发生只是众多传感要素中不太重要的要素，和热传递相关的因素才是最核心的。

催化燃烧式传感器原理图

和半导体元件不同，催化元件传感过程较为复杂，前者是气体与传感器接触后发生的化学反应直接导致传感器电阻即电信号的变化，后者则是气体在催化元件上发生的化学反应，首先导致的结果是传感器载体表面及载体内部的温度变化，载体的温度变化经过热传递最终导致铂线圈电阻的变化，完成传感的全过程。

传感过程复杂，导致问题产生的几率就大一些，比如：

1、积碳问题

长分子链的有机物以及不饱和烃，对半导体来说，不完全反应导致的积碳只会对反应过程产生影响，而不会对电子传输产生大的影响。而对催化来讲，碳的存在不仅影响反应过程，更会对热传递产生剧烈影响，结果是反应产生的热量向传感器内部传递效率变低了，热量大都散失掉了，最终是同样的气体浓度，释放同样的热，由于炭的存在，导致传感器：温度只有很小的变化，即灵敏度变得很低。

2、中毒问题

因为需要热传递，为了保证热效率，反应必须在瞬间完成，即要求有极高的反应效率，就需要有大量的纳米级的催化剂以及纳米级的孔，这样的特征有利于传感也有利于中毒。

3、线性问题

催化元件的线性是由两个因素决定：

a、温度传感材料pt线圈的电阻~温度特性是线性的。b、爆炸下限以内反应放热和气体浓度是线性的。

因此，两个因素任一发生变化，就会导致传感器线性变化。实际上，铂线圈会持续升华变细即导阻变大，反应释放的热量与浓度的线性关系只在气体浓度为爆炸下限以内时才成立。

小结：

催化元件不会被淘汰，催化元件的未来主要取决于工艺技术的进步：

1、结构改进，解决的问题是震动引起的漂移；

2、过滤层改进，解决的问题是中毒；

3、开发新材料改善积碳；

4、制造过程对设计实现的保障如避免形变；

5、MEMS化（需要说明的是，器件结构、封装、制造工艺的改进不仅会改善元件的综合性能，也会引发新的应用。和半导体相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面积下有更高的催化效率、热效率）；

6、应用定位需更精准更专一。