figaro 传感器 FIGARO费加罗CO2传感器TGS4160介绍，工作原理及应用

发布时间：2024-11-26 05:11:29

FIGARO费加罗CO2传感器TGS4160介绍、工作原理及应用

摘要： TGS4160是FIGARO（费加罗）公司生产的一种固态电化学型二氧化碳传感器（CO2传感器），该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。文中叙述了该传感器的内部结构和工作原理，给出了一个用TGS4160设计的专用模块的基本应用电路原理图。

关键词： TGS4160；传感器；二氧化碳传感器

TGS4160

１　二氧化碳传感器TGS4160概述

TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合。但是，由于TGS4160的预热时间较长（一般为２小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块ＡＭ－４。该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出信号电平为０．０～３．０Ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。TGS4160传感器的主要技术参数如下：

●测量范围：０～５０００ｐｐｍ；

●使用寿命：２０００天；

●加热器电压：５．０±０．２ＶＤＣ；

●加热器电流：２５０ｍＡ；

●加热器功耗：１．２５Ｗ；

●内部热敏电阻（补偿用）：１００ｋΩ±５％；

●使用温度：－１０～＋５０℃?

●使用湿度：５～９５％ＲＨ；

●产品尺寸：最大外径Φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引脚长５．８ｍｍ。

２　二氧化碳传感器TGS4160内部结构

TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用１００目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层６０目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的６个引脚通过０．１ｍｍ的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图１所示。图中，阳极与传感器的第３脚Ｓ（＋）相连，阴极与传感器的第４脚Ｓ（－）相连，Ｐｔ加热器与传感器的第１，６脚相连，内部热敏电阻与传感器的第２，５脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

３　二氧化碳传感器TGS4160工作原理

TGS4160型CO2传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在CO2气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：

阴极反应方程：

４Ｌｉ＋＋２ CO2＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｌｉ２ＣＯ３

阳极反应方程：

４Ｎａ＋＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｎａ２Ｏ

总的化学反应方程：

Ｌｉ２ＣＯ３＋２Ｎａ＋＝Ｎａ２Ｏ＋２Ｌｉ＋＋CO2

作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），该过程将产生如下电势（ＥＭＦ）：

ＥＭＦ＝Ｅｃ－（ＲＦ）／（２Ｆ）ｌｎ（ＰCO2 ）

式中：ＰCO2 为CO2的分压；Ｅｃ为常数；Ｒ是气体常数；Ｔ为温度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常数。

从上式看出，通过监测Ｓ（＋）、Ｓ（－）两个电极之间所产生的电势值ＥＭＦ，就可以测量CO2的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在５．０±０．２ＶＤＣ之内。为了保证CO2的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值ΔＥＭＦ，而不是绝对电势值ＥＭＦ，因为ΔＥＭＦ与CO2浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然ＥＭＦ绝对值随环境温度的上升而上升，ΔＥＭＦ却保持常量，而且它在－１０℃～＋５０℃温度范围内，基本不受温度的影响。

图2

ΔＥＭＦ值可由下式求得：

ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ２

其中，ＥＭＦ１为３５０ｐｐｍ的CO2中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ２为所测量的CO2的ＥＭＦ值。

在温度为２０℃±２℃、湿度为６５±５％ＲＨ、加热电压为５．０±０．０５ＶＤＣ、预热时间为７天或大于７天的条件下，测得传感器在浓度为３５０ｐｐｍ中的ＥＭＦ值是２２０～４９０ｍＶ，而ΔＥＭＦ在３５０～３５００ｐｐｍ的CO2浓度中的值是４４～７２ｍＶ，因此?在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥１００ＧΩ）、低偏置电流（≤１ｐＡ）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常有两种方案可供选择：一是使用费加罗（FIGARO）公司的ＦＩＣ９８６４６专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。

４　二氧化碳传感器TGS4160基本应用

利用TGS4160传感器并通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再作一些简单的运算处理，就可以在CO2浓度为３００～５０００ｐｐｍ的范围内测得信号，该信号为０～几百毫伏的电压信号，可以供高精度Ａ／Ｄ采样使用。如果使用费加罗（FIGARO）公司提供的ＡＭ－４ CO2传感器模块，则可直接应用于自动通风换气系统或是CO2气体监测。该模块内部带有Ａ／Ｄ转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与CO2浓度值呈线性关系，输出的电压信号为０～３．０Ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的CO2浓度。另外，该模块还提供有中继转接控制信号。当CO2浓度高于设定值时，输出的转接控制信号为高电平５Ｖ，该信号可以使得红ＬＥＤ点亮；反之，它将转接控制信号为低电平０Ｖ以使绿ＬＥＤ点亮。但是，该模块的设定值是分档的，而不是连续可调的。共分为四档（可通过线路板上的跳线来实现），表１和表２分别给出了门限开关信号的浓度值及跳线连接方法。ＡＭ－４模块的实用电路原理图见图２所示。

表1 门限信号浓度

控制信号门限档次开关Ⅰ800ppm720ppmⅡ1000ppm900ppmⅢ1500ppm1350ppmⅣ2000ppm1800ppm

表2 跳线连接

连接方式档次JP5JP6JP7JP8Ⅰ连连连断Ⅱ连连断连Ⅲ连断连连Ⅳ断连连连

如果认为使用ＡＭ－４模块不方便或是认为价格太高，也可以自行设计电路，并自行编写程序进行处理。

５　结束语

TGS4160型CO2传感器特别适合于连续监测CO2的场所，它不需断电，其稳定性好。但TGS4160传感器不适于做便携式或手持式CO2测量仪器。因为预热时间太长，不能即时测量，同时传感器的功率也较大。此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会降低灵敏度，由于沸石可以对某些干扰气体（如乙醇）加以滤除。因此，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。

Figaro的三种气体传感器检测原理介绍

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。气体传感器在以家用天燃气·丙烷气体报警器为主的空调与空气洁净器、汽车等领域广泛得到应用。现在工采网小编对Figaro最擅长的3种气体检测原理进行说明。

半导体气体传感器简单的架构

STEP1

在洁净的空气中，氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子，造成电子难以流动的状态。

STEP2

在泄漏的气体（还原性气体）环境中，表面的氧与还原气体反应后消失，氧化锡中的电子重获自由，受此影响，电子流动通畅。

半导体气体传感器的检测原理

当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时，氧气捕捉粒子中的电子后，吸附于粒子表面。结果，在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小，因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭（regional depletion）。

使氧气分压从零（flat band开始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的顺序上升时，能带结构与电子传导分布的变化如下图所示（[O-]：吸附的氧气浓度）。在容衰竭（volume depletion）状态下，电子耗尽层的厚度变化结束，产生费米能级转换pkT，电子耗尽状态往前推进则pkT增大，后退则pkT缩小。

■ 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进

能带结构

x : 半径方向的距离 qV(x) : 势垒 a : 离子半径 [O-] : 吸附氧气的浓度 EC : 传导带下端 EF : 费米能级 pkT : 费米能级转换

传导电子分布

[e] : 电子浓度 Nd : 施子密度

容衰竭（volume depletion）状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e]S可用施子密度Nd、粒子半径a以及德拜长度LD通过式子（1）表示。如果p增大则[e]S减少，p减少则[e]S增大。

[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)

由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R，可使用flat band时的电阻值R0，通过式子（2）表示。[e]S减少则将增大，[e]S增大则将缩小。

R/R0= Nd/[e]S ... (2)

使用了氧化锡的半导体式气体传感器，就是这样通过氧化锡粒子表面的[O-]的变化来体现电阻值R的变化。

置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子，一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中，其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后，使[O-]减少，结果是[e]S增大，R缩小。消除还原性气体后，[O-]增大到暴露于气体前的浓度，R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。

参考文献： Noboru Yamazoe, Kengo Shimanoe, Basic approach to the transducer function of oxide

semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B 160 (2011) 1352-1362

催化燃烧式气体传感器检测原理

催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片（D）和不与可燃气体进行反应的补偿片（C）2个元件构成。如果存在可燃气体的话，只有检测片可以燃烧，因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。

相反，因为补偿片不燃烧，其电阻不发生变化（图1）。这些元件组成惠斯通电桥回路（图2），不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。

然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测片的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在图3所示的比例关系，因此可以通过测定电压而检出气体浓度。

■ (图1)测定电路

■ (图2)测试电路

■ (图3)

电化学气体传感器：传感器元件构成与电极反应式

传感器由来自贵金属催化剂的检测极、对极与离子传导体构成。当CO等检测对象气体存在时，在检测极催化剂上与空气中的水蒸气发生（1）式所示的反应。

CO + H2O → CO2＋ 2H+ + 2e- …（1）

检测极与对极接通电流（短路）后，检测极产生的质子(H+)与同时产生的电子（e-）分别通过离子传导体与外部电线（引线）各自到达对极，在对极上与空气中的氧之间发生（2）式所示的反应。

（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）

也就是说此传感器构成了由（1）（2）反应式形成的（3）反应式的全电池反应，可以认为是将气体作为活性物质的电池。

CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）

当做气体传感器使用时，接通检测极与对极的电流，来测定其短路电流。

CO浓度检测原理公式

对流过外部电路的短路电流与气体浓度的关系，通过传感器进行适当的扩散控制（控制气体的流入量），呈现出式子（4）这样的比例关系（右图）。

I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）

这里 I：短路电流；A：扩散孔面积；σ：扩散层长度；D：气体扩散系数；C：气体浓度；ｎ：反应的电子数量

特长

反应式（1）所示的氧化电位由于比氧化电极电位的基准值（2H+ + 2e- ⇔ H2)要低（拥有较低电位），因此此反应不需要消耗来自外部的电压、温度等其他能量，可以有选择地进行，与别的检测方式相比在干扰性、重复性、节电方面要优越得多。

气体传感器使用要求与注意事项

使用时请务必阅读Figaro公司的产品技术资料，对产品规格与使用条件进行确认。设计时要注意避免当电路上其他电子部件发生短路、开路等异常状况时给气体传感器带来超过额定值的电压、电流与温度。设计时要注意避免因气体传感器的故障而影响到其他的部件，直接或间接导致使用了气体传感器的机器产生误动作、冒烟、起火或其他不稳定的状态，使机器的安全性受损。如有必要，敬请考虑采取设置类似于保护电路这样的故障保护安全措施。

关于使用安全注意事项

关于使用电压

如果气体传感器被施加了超过额定值的电压，即使未出现断线与物理性损伤的情况，也有可能发生传感器特性受到影响的情况。气体传感器一旦有过过电压经历，请不要使用。

关于使用温度

请不要在超过额定温度的高温下使用气体传感器。在超过额定温度的高温环境下电极膜会劣化，传感器的特性很有可能会受到影响。

关于使用环境

气体传感器如果受到碱金属的污染，气体传感器的特性有可能受到显著影响。尤其要避开盐水喷雾。如果暴露于氨气等碱性高浓度气体中，气体传感器的特性很有可能受到影响，因此要避免出现这样的情况。要避免在有可能使用了硅粘结剂与含有硅的发胶、硅橡胶、硅腻子的场所使用或保管气体传感器。从含硅的产品蒸发出来的硅蒸汽有可能引起传感器内部气体流入通道的堵塞。气体传感器内部与表面如果持续长时间大量结露的话，可能会引起气体流入通道的堵塞与气体敏感膜的劣化情况发生。正常的室内环境中产生的轻微结露对气体传感器不会产生重大的影响。如果气体传感器暴露于硫化氢与硫酸系气体环境时，有可能出现内部的气体扩散膜与盖帽、或本体受到腐蚀，气体传感器受损的情况。气体传感器如果暴露于酒精类、丙酮、挥发油等产生的有机物蒸汽中，气体敏感部吸附有机物蒸汽，可能会发生传感器特性短时间变化的情况。气体传感器如果暴露于极度的粉尘与油性气雾中，有可能在气体传感器内部发生孔眼堵塞的情况。如果可以预知是这样的使用环境，建议在气体传感器的上部加装外接过滤器。当在低温环境中发生快速冻结的情况时，气体传感器内部可能发生漏水对气体传感器的特性产生影响。尤其是当把盖帽朝下设置于机器中的时候，很容易发生这样的情况。

如何处理

请不要将传感器浸入水中、或将水洒到传感器上，否则有可能对传感器的特性造成影响。如果让气体传感器受到强烈震动或撞击，其内部可能会发生断线或短路等情况。请不要随意分解气体传感器，也不要使本体与盖帽部位发生变形。

关于保管方法

如果将气体传感器放置在密封袋这样密闭性很强的容器内保管的话，因周围温度的变化气体传感器内部可能出现结露的情况。

设计应用机器时的注意事项

出现零度以下的低温时水槽里的水有可能结冰冻结，一般情况下结冰不会对气体传感器的特性产生影响，但水结冰后体积增大有可能使气体传感器胴体发生变形的情况出现。设计机器时要注意防止气体传感器因结冰变形后与配置在周围的其它电子产品和电路基板发生接触。

安装时的注意事项

用焊锡将传感器焊接到电路基板时，如果使用焊锡槽，焊锡产生的高浓度助焊剂蒸汽有可能对传感器特性产生影响。我们建议手焊操作。考虑使用焊锡槽的话，请在量产前用试验组预先对传感器特性可能产生的影响进行确认。为提高对湿度的耐受性、对气体的耐受性而用树脂涂膜时，树脂所含的化学成分溶剂可能会引起特性下降的情况发生。

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