短路電流式質子導體CO傳感器的工作原理

TGS5xxx系列是一種利用短路電流作為傳感器信號的質子導體一氧化碳(CO)傳感器。
氣敏層的基本組成部分包括：工作電極、對電極以及貼合于它們之間的質子導電膜。

當傳感器置于潔凈的空氣中，工作電極與對電極之間沒有通過外部導線連接時，即在開路條件下，工作電極和對電極上分別發生電化學反應(1)，使工作電極和對電極上都形成平衡電位(E1)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- ? H₂O　...(1)

將傳感器置于CO與空氣的混合氣體中，處于開路條件時，在工作電極上，同時以相同的速度發生著CO的陽極氧化反應(2)和氧氣的陰極還原反應(3)，由此形成局部電池。

CO + H₂O → CO₂ + 2H⁺ + 2e^-　...(2)

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- → H₂O　 ...(3)

結果,工作電極的電位從E1變為混合電位(EM)，正常情況下此時陽極電流i(2)和陰極電流i(3)的絕對值相等，處于穩定狀態(圖1)。到達工作電極的CO流入量受到擴散控制系統的限制(例如,TGS5xxx系列傳感器中使用了不銹鋼氣體擴散控制片)，得到與CO濃度呈線性正比關系的擴散極限電流(圖1)。由于在對電極上只發生了式(1)反應 ，所以對電極的電位仍然是E1。因此，這樣的電位差型(混合電位型)傳感器的靈敏信號可以由EM - E1給出，EM - E1信號與空氣中CO濃度的對數呈比例關系。

當空氣中存在CO時，通過外部導線將工作電極與對電極連接，形成短路狀態后，如圖1所示，兩個電極的電位轉變為介于E1和EM之間的一個相同值(Esc)。
由于工作電極的電位朝著使式(3)反應減速的方向變化，工作電極上消耗的質子逐漸趨少。因此，多余的質子將通過質子導電膜從工作電極向對電極轉移，并且這些多余的質子數量與空氣中的CO濃度成正比，它們在對電極上被式(3)的反應所消耗。這個過程就是等價電子作為短路電流(即傳感器輸出電流)通過外部導線從工作電極向對電極的流動，它也與CO濃度成直線性的比例關系(圖2)。

將傳感器移回至潔凈空氣中時，工作電極上只發生式(1)反應，由于兩個電極之間的電位差消失，外部導線中電流無法通過。因此，本傳感器對CO具有可逆的安培響應。

這種短路電流式CO傳感器由于CO濃度與傳感器輸出電流之間呈線性關系，使其和傳感器響應與空氣中CO濃度對數成正比關系的電位差式CO傳感器相比，可感應濃度更為精確。只要通過使用已知CO濃度的氣體對輸出電流進行校準，本傳感器就可用于對CO濃度的定量檢測。

通過外部電路的短路電流(傳感器輸出電流)與氣體濃度呈式(4)所示的比例關系(圖3)。

I = F × (A/σ) × D × C × n　...(4)

其中:
I: 傳感器輸出電流、F: 法拉第常數、
A: 質子交換膜針孔面積、σ：質子交換膜厚度、
D: 氣體擴散系數、C: 氣體濃度、n: 反應電子數

特點

與常規的干電池不同，傳感器內部的固體液體活性材料或電極不會被消耗。這確保了本傳感器良好的長期穩定性，并且可以長期免維護保養進行使用。 而且，本傳感器不需要加熱就能自發輸出電流，是電池供電型一氧化碳探測器的理想選擇。