空气质量传感器TGS2600在空气监测中的应用

摘 要：TGS2600是日本FIGARO公司生产的一种半导体空气传感器，它能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性。TGS2600可广泛用于空气质量监测、自动通风换气系统、空气清新机和气流控制设备中。文中阐述了TGS2600空气传感器的内部结构和工作原理，并给出了一个用TGS2600设计的空气质量监测电路和具体空气质量监测实验结果。
关键词：空气传感器;TGS2600;空气质量监测;空气污染;空气质量传感器

0 引言
近年来，空气质量监测越来越受到人们的重视，国内外的众多企业与研究机构在气体传感器研发领域取得了长足进步，目前气体传感器正向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。日本FIGARO公司开发生产的系列半导体气体传感器代表了目前气体传感器领域最新的水平，为研究开发空气质量监测系统创造了有利条件，提供了一条简单而实用的途径。
1 半导体气敏传感器及其特性
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体最典型的是O2，称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或电子供给性气体。
目前可用于检测气体的敏感元件有很多种，如 SnO2，ZnO，Fe2O3和气敏元件等。它们共同的特点是可以检测多种不同的气体，但对气体的选择性较差。这种非单一选择性是由其敏感机理所决定的，虽然可以采用添加适量的贵重金属Pt、Pd等方法改善其选择性，但仍然会对其它气体有一定的敏感度。
2 半导体空气质量传感器TGS2600
2.1 TGS2600 构成和工作原理
空气传感器是半导体气敏传感器中的一种，它构造简单，由传感器基板，气敏元件和传感器盖帽组成。气敏元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成。利用加热器加热，以侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化。在检测气体时，传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化。在目标气体不存在的状态下，大量附着的空气中的O2会捕捉电子，而呈现出高阻状态;相反的，若有目标气体存在，则因为会与氧产生一种燃烧反映，自由电子的量增加，而电阻值则降低。用一个测量电路能将该传导率的变化转化成对应于气体浓度变化的输出信号。
TGS2600是日本FIGARO公司开发生产的一种新型半导体气体传感器，能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，如空气中的低浓度香烟污染物和其它异味，对H2、CO等有较高的敏感度。该传感器能检测到几个ppm级H2含量。TGS2600具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性，可广泛用于空气质量监测、自动通风换气系统、空气清新机和气流控制设备中。该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。由于采用小型化芯片，TGS2602传感器的加热器所需电流仅为42mA，并且安置于标准TO-5封装中。
2.2 TGS2600传感器基本测量电路
传感器基本测量电路如图1所示。此传感器要求有两个电压输入：加热器电压VH和电路电压VC。加热器电压VH加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度。电路电压VC被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vout。此传感器有极性所以电路电压VC必须是直流。可以用一个公共的电源来同时供给VH和VC以满足传感器的电气需求。合理选择负载电阻RL使报警门限电压最优化，并使半导体传感器功耗小于15mw。当目标气体存在时，传感器功耗在RS与RL相等时最大。

图1 传感器基本测量电路

2.3 TGS2600传感器灵敏度特性
2.3.1 典型灵敏度特性曲线
典型灵敏度特性如图2所示，所有数据都采集于标准测试条件下，Y轴表示传感器灵敏度，即电阻比RS/R0 。其中RS为传感器在不同气体浓度下的阻值;R0 为传感器在清新空气中的阻值。

图2 典型灵敏度特性曲线

2.3.2 TGS2600传感器典型温度、湿度依赖特性曲线
典型的温度、湿度依赖特性如图3所示。同样，Y轴表示传感器灵敏度（电阻比）RS/R0，其中RS为清新空气中的传感器在不同温、湿度条件下的阻值;R0为清新空气中的传感器在20℃及65%相对湿度下的阻值。