是什么导致了气体传感器的失效呢?

是什么导致了气体传感器的失效呢?

2020-12-03 11:34:58 baid 9


气体传感器种类比较多,失效的模式也很多。今天我先分析5种气体传感器的失效模式:电化学(EC),非色散红外(NDIR)、紫外光离子化(PID)、催化燃烧(CAT)和金属氧化物半导体(MOS)传感器。

1.

电化学(EC)传感器失效的原因分析


电解液中的活性物质消耗完毕

消耗型的电化学传感器有铅氧传感器、水基氨气传感器、氟化氢传感器和氰化氢传感器。随着活性物质和被测气体反应,传感器就慢慢地失效了。

催化剂被挥发性有机物(VOC)覆盖

电化学传感器的催化剂是几十到几百纳米的贵重金属,当电化学传感器被用在含有VOC的环境中,VOC液化,覆盖在催化剂的表面,再也不离开传感器了。久而久之,催化剂就接触不到被测气体了,传感器就失效了。

电解液中水分蒸发过多

水基电化学传感器中的载流子是氢离子和氢氧根离子,当水分越来越少了之后,载流子就无法在工作电极和对电极之间自由移动了,传感器也就慢慢失效了。如果要消除水分蒸发过多的导致的失效,可以选择离子液体为电解质的电化学传感器。

传感器有机械损伤

例如机械压力导致了传感器外壳破裂,毛细孔压缩,金属pin漏液等等,都会导致传感器永久失效。

水滴堵住了毛细孔

电化学传感器顶部有一个很小的毛细孔,如果有液态水将该孔堵住了,那么气体就进入不到传感器内部了,传感器也就失效了。

传感器催化剂中毒

例如HCN传感器,如果通入了H2S和PH3的话,该传感器催化剂就会中毒失效了。

2.

非色散红外(NDIR)传感器失效的原因分析


光路有冷凝水

当光路上有液态水的话,传感器的读数就会非常高,所以平时进气的时候需要除去液态水,最好是冷凝除水。


光路中有灰尘或者油污

当光路中有灰尘和油污的话,传感器的读数也会非常高,因为这些不透光的物质吸收了红外光,导致读数不准了,一般是偏高。预防该失效模式的话,可以采用除油、除尘。如果光路已经污染了,可以让传感器厂家重新清洗光路。

3.

紫外光离子化(PID)传感器失效的原因分析


UV灯衰减,UV光强减弱

VOC是靠UV光来电离的,当UV光强变弱了,被电离的VOC当然也就变少了,所以读数会变低。通常,盛密科技10.6ev的UV灯寿命是10000小时,有的供应商的UV灯寿命可能只有5000小时。


灰尘会覆盖UV灯和叉指电极

当灰尘覆盖UV灯的时候,UV的光强就减弱了。当灰尘覆盖叉指电极的时候,电极收集到的正离子或负离子就变少了,所以读数会变低。

UV灯点不亮

UV灯内部的惰性气体需要外部的交变高压电场来点亮。如果UV灯内部惰性气体稀薄了,或者高压电压不够了,UV灯就点不亮了。


叉指电极上有液态水

如果环境中湿度很高,叉指电极上有液态水,电极就会短路,导致传感器读数非常大。如果灰尘作为结晶核,附着了大量的冷凝水,还会导致叉指电极少量漏电,导致信号比正常值要大。

环境湿度高

气态水也是会吸收UV光的,如果被测气体湿度非常高,那么传感器的读数就会偏低大约30%左右。

4.

催化燃烧(CAT)传感器失效的原因分析


无氧环境中无反应

众所周知,CH4在空气中燃烧需要氧气的参与,CH4和O2的燃烧配比为1:2。空气中的O2浓度最大是20.9%vol,也就是说,LEL传感器能够正常测量的CH4浓度范围在0%-10%vol之间。当O2不足时,LEL传感器元件上CH4燃烧不充分,铂金丝的温度也不能升到准确的高度,从而使测量不准确。

催化剂中毒

CAT传感器铂金丝和催化剂是暴露在空气中,易燃易爆气体和氧气在催化剂表面发生反应,因此催化剂就有失效问题(中毒)。根据实验数据,CAT传感器在100ppm(ppm:百万分之一)的H2S环境下工作,只要3分钟时间,CAT传感器的灵敏度就会下降10%。CAT 传感器不仅对H2S会中毒,而且对有机硅气体、氯化物、溴化物也会中毒,因此CAT传感器无法在这样的环境中长期正常工作。在这种“非单纯”环境下,NDIR 传感器是理想的选择。


催化珠表面积碳

CAT传感器积碳的定义是这样的:当含碳有机气体在催化珠上非完全燃烧后,小部分的C原子会附着在催化珠上,造成催化效率下降。

铂金丝断裂

CAT传感器催化珠内部使用的是10~20um直径的铂金丝,外面包覆了一层Al2O3陶瓷和催化剂,质量比较大,在跌落着地的时候铂金丝脆弱的环节比较容易断裂。

5.

金属氧化物半导体(MOS)传感器失效的原因分析




暴露于可挥发性硅化合物蒸气中

传感器要避免暴露于硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它存在可挥发性有机硅化合物的场所。如果传感器的表面吸附了硅化合物蒸气,传感器的敏感材料会被硅化合物分解形成的二氧化硅包裹,抑制传感器的敏感性,并且不可恢复。

高腐蚀性的环境

传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体(如 H2S,SOX,Cl2,HCl 等)中,不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏,并会引起敏感材料性能发生不可逆的劣变。

碱、碱金属盐、卤素的污染

传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后,或暴露在卤素如氟利昂中,也会引起性能劣变。

接触到水

溅上水或浸到水中会造成传感器敏感特性下降。

结冰

水在传感器敏感材料表面结冰会导致敏感层碎裂而丧失敏感特性。

施加电压过高

如果给传感器或加热器施加的电压高于规定值,即使传感器没有受到物理损坏或破坏,也会造成引线和/或加热器损坏,并引起传感器敏感特性下降。

电压加错管脚

如果给传感器或加热和信号管脚电压加错,也会造成引线和/或加热器损坏,并引起传感器敏感特性下降。

凝结水

在室内使用条件下,轻微凝结水对传感器性能会产生轻微影响。但是,如果水凝结在敏感层表面并保持一段时间,传感器特性则会下降。

处于高浓度气体中

无论传感器是否通电,在高浓度气体中长期放置,均会影响传感器特性。如用打火机气直接喷向传感器,会对传感器造成极大损害。

长期贮存

传感器在不通电情况下长时间贮存,其电阻会产生可逆性漂移,这种漂移与贮存环境有关。传感器应贮存在不含可挥发性硅化合物的密封袋中。经长期贮存的传感器,在使用前需要更长时间通电以使其达到稳定。贮存时间及对应的老化时间建议如下(放置时间小于3天的芯片不需要老化):

长期暴露在极端环境中,如高湿、高温或高污染环境

无论传感器是否通电,长时间暴露在极端条件下,传感器性能将受到严重影响。

振动

频繁、过度振动会导致传感器内部引线产生共振而断裂。在运输途中及组装线上使用气动改锥/超声波焊接机会产生此类振动。

机械冲击

如果传感器受到强烈冲击或跌落会导致其引线断裂。

焊接温度过高

焊接温度超过250℃,引起传感器气敏材料变化;气敏特性会降低或者改变。

使用了含氯的助焊剂

使用含氯最少的松香助焊剂,如果助焊剂含氯较高,会引起传感器材料活性降低


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