所謂氣體感測器，是一種可以檢查出目視不到的氣體存在的感測裝置。在以家用天燃氣·丙烷氣體報警器為主的空調與空氣潔淨器、汽車等領域廣泛得到應用。現在工採網小編對4種氣體檢測原理進行說明。
一、半導體氣體感測器工作原理
簡單的架構
STEP1
在潔淨的空氣中，氧化錫表面吸附的氧會束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動的狀態。
STEP2
在洩漏的氣體（還原性氣體）環境中，表面的氧與還原氣體反應後消失，氧化錫中的電子重獲自由，受此影響，電子流動通暢。
感測器的檢測原理
當氧化錫粒子在數百度的溫度下暴露在氧氣中時，氧氣捕捉粒子中的電子後，吸附於粒子表面。結果，在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由於氣體感測器使用的氧化錫粒子一般都很小，因此在空氣中整個粒子都將進入電子耗盡層的狀態。這種狀態稱為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達到耗盡層的狀態稱為域衰竭（regional depletion）。
使氧氣分壓從零（flat band開始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時，能帶結構與電子傳導分佈的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）。在容衰竭（volume depletion）狀態下，電子耗盡層的厚度變化結束，產生費米能級轉換pkT，電子耗盡狀態往前推進則pkT增大，後退則pkT縮小。
■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導體粒子的耗盡狀態在推進
能帶結構
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傳導電子分佈
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容衰竭（volume depletion）狀態下球狀氧化錫粒子表面的電子濃度[e]S可用施子密度Nd、粒子半徑a以及德拜長度LD透過式子（1）表示。如果p增大則[e]S減少，p減少則[e]S增大。
[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)
由大小、施子密度相同的球狀氧化錫粒子組成的感測器的電阻值R，可使用flat band時的電阻值R0，透過式子（2）表示。[e]S減少則將增大，[e]S增大則將縮小。
R/R0= Nd/[e]S ... (2)
使用了氧化錫的半導體式氣體感測器，就是這樣透過氧化錫粒子表面的[O-]的變化來體現電阻值R的變化。
置於空氣中被加熱到數百度的氧化錫粒子，一旦暴露於一氧化碳這樣的還原性氣體中，其表面吸附的氧氣與氣體之間發生反應後，使[O-]減少，結果是[e]S增大，R縮小。消除還原性氣體後，[O-]增大到暴露於氣體前的濃度，R也將恢復到暴露於氣體前的大小。使用氧化錫的半導體式氣體感測器就是利用這個效能對氣體進行檢測。
二、催化燃燒式氣體感測器工作原理
催化燃燒式氣體感測器由對可燃氣體進行反應的檢測片（D）和不與可燃氣體進行反應的補償片（C）2個元件構成。如果存在可燃氣體的話，只有檢測片可以燃燒，因此檢測片溫度上升使檢測片的電阻增加。
相反，因為補償片不燃燒，其電阻不發生變化（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋迴路（圖2），不存在可燃氣體的氛圍中，可以調整可變電阻（VR）讓電橋迴路處於平衡狀態。
然後，當氣體感測器暴露於可燃氣體中時，只有檢測片的電阻上升，因此電橋迴路的平衡被打破，這個變化表現為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關係，因此可以透過測定電壓而檢出氣體濃度。
■ (圖1)測定電路
■ (圖2)測試電路
■ (圖3)
三、電化學氣體感測器工作原理
感測器元件構成與電極反應式
感測器由來自貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導體構成。當CO等檢測物件氣體存在時，在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發生（1）式所示的反應。
CO + H2O → CO2＋ 2H+ + 2e- …（1）
檢測極與對極接通電流（短路）後，檢測極產生的質子(H+)與同時產生的電子（e-）分別透過離子傳導體與外部電線（引線）各自到達對極，在對極上與空氣中的氧之間發生（2）式所示的反應。
（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）
也就是說此感測器構成了由（1）（2）反應式形成的（3）反應式的全電池反應，可以認為是將氣體作為活性物質的電池。
CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）
當做氣體感測器使用時，接通檢測極與對極的電流，來測定其短路電流。
CO濃度檢測原理公式
對流過外部電路的短路電流與氣體濃度的關係，透過感測器進行適當的擴散控制（控制氣體的流入量），呈現出式子（4）這樣的比例關係（右圖）。
I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）
這裡 I：短路電流；A：擴散孔面積；σ：擴散層長度；D：氣體擴散係數；C：氣體濃度；ｎ：反應的電子數量
特長
反應式（1）所示的氧化電位由於比氧化電極電位的基準值（2H+ + 2e- ⇔ H2)要低（擁有較低電位），因此此反應不需要消耗來自外部的電壓、溫度等其他能量，可以有選擇地進行，與別的檢測方式相比在干擾性、重複性、節電方面要優越得多。
四、NDIR氣體感測器工作原理
NDIR（非色散型紅外線）式氣體感測器的工作原理
NDIR(non-dispersive infrared)式氣體感測器是透過由入射紅外線引發物件氣體的分子振動，利用其可吸收特定波長紅外線的現象來進行氣體檢測的。紅外線的透射率（透射光強度與源自輻射源的放射光強度之比）取決於物件氣體的濃度。
感測器由紅外線放射光源、感光素子、光學濾鏡以及收納它們的檢測匣體、訊號處理電路構成。在單光源雙波長型感測器中，在2個感光素子的前部分別設定了具有不同的透過波長範圍閾值的光學濾鏡，透過比較可吸收檢測物件氣體波長範圍與不可吸收波長範圍的透射量，就可以換算為相應的氣體濃度。因此，雙波長方式可實現長期而又穩定的檢測。
檢測原理
用中波段紅外線照射氣體後，由於氣體分子的振動數與紅外線的能級處於同一個光譜範疇，紅外線與分子的固有振動數發生共振後，在分子振動時被氣體分子所吸收。
氣體濃度與紅外線透射率的關係可透過下述朗伯-比爾定律進行說明。對於NDIR式氣體感測器來說，物件氣體的吸光度ε與光程d是不變的，在與成為物件的氣體吸收能（波長）一致的光譜範疇，透過測定紅外線的透射率T，即可得到物件氣體的濃度c。
來自放射源的入射光強度I0，是透過使用不吸收紅外線的零點氣體校準後設定的。吸光度ε是利用已知濃度的物件氣體進行校準後進行初始設定的。
特長
因為紅外線是根據目標氣體固有的紅外能量（波長）被吸收的，所以氣體選擇性非常高成為其最大的特長。即使在高濃度的物件氣體中長時間進行暴露，也從原理上避免了靈敏度的不可逆變化。
