전기 화학식 가스 센서 설명

전기 화학식 가스 센서의 용어, 동작 원리 대한 설명
Feb 22, 2024
전기 화학식 가스 센서 설명
목차

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주의사항 * 센서에 직접 납땜(Soldering) 진행 시 내부의 패턴이 고온으로 끊어질 수 있으므로 전용 Socket을 사용 권장 * 센서에 따른 감도가 차이가 있기 때문에 회로를 구성한 이후 개별 가스 교정이 필요(교정 Cap 필요) * 가스 교정 설비가 없을 경우, 모듈 type의 센서를 사용하거나 가스 교정 설비를 구입할 것을 권장함
<전기화학식 가스센서 전용  Socket 예시>
<전기화학식 가스센서 전용 Socket 예시>
 

전기화학 가스 센서(Electrochemical gas sensor)

(출처:MEMBRAPOR)

전류 측정 센서

전기 화학 센서는 분석물과 반응하여 전기 신호를 생성하여 작동합니다. 대부분의 전기화학 가스 센서는 전류 측정 센서로, 가스 농도에 선형적으로 비례하는 전류를 생성합니다. 전류 측정 센서의 원리는 평형이 설정되지 않은 전기화학 전지에서 전류-전위 관계를 측정하는 것입니다. 전류는 감지 전극(작동 전극이라고도 함)의 전해 과정 속도와 정량적으로 관련이 있으며, 전위는 일반적으로 다른 전극(소위 기준 전극)을 사용하여 일정하게 유지됩니다.

원리

전기 화학 가스 센서는 다음과 같이 작동합니다. 센서와 접촉하는 대상 가스 분자는 먼저 먼지로부터 보호하는 역할을 하는 결로 방지 멤브레인을 통과합니다.
그런 다음 기체 분자는 모세관을 통해 확산되고, 잠재적으로 후속 필터를 통해 확산된 다음 소수성 멤브레인을 통해 감지 전극의 표면 구조에 도달합니다.
거기에서 분자는 활성 촉매 부위에서 즉시 산화 되거나 환원되어 결과적으로 전자를 생성하거나 소비하여 전류를 생성합니다.
이 접근 방식을 사용하면 센서로 들어가는 가스 분자의 양이 모세관을 통한 확산에 의해 제한된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
원하는 측정 범위에 따라 경로를 최적화하면 적절한 전기 신호를 얻을 수 있습니다.
감지 전극의 설계는 대상 가스에 대한 높은 반응성을 달성하고 간섭 가스에 대한 원치 않는 반응을 억제하는 데 매우 중요합니다.
여기에는 고체, 액체 및 기체의 세 단계 시스템이 포함되며 모두 분석물 가스의 화학적 인식에 관여합니다. MEMBRAPOR는 이 시스템을 맞춤화하고 고성능 가스 센서를 얻기 위해 열정적으로 헌신하고 있습니다.
전기화학 전지는 감지 전극에서 반응의 균형을 맞추는 소위 상대 전극에 의해 완성됩니다.
카운터와 감지 전극 사이의 이온 전류는 센서 본체 내부의 전해질에 의해 전달되는 반면, 전류 경로는 핀 커넥터로 종단된 전선을 통해 제공됩니다.
일반적으로 제3 전극은 전기화학 센서(3전극 센서)에 포함된다. 소위 기준 전극은 감지 전극의 전위를 고정된 값으로 유지하는 역할을 합니다. 이러한 목적과 일반적으로 전기 화학 센서의 작동을 위해서는 전위차 회로가 필요합니다.
 
  • 측정된 가스와 화학 반응을 일으키고 기체 농도에 비례하는 전류를 발생시키게 되고 그 전류의 세기를 통해서 가스 농도를 측정함
  • 출력 선형성, 저전력 소모, 우수한 분해능, 뛰어난 반복성 및 정확도
  • 가스와의 화학반응에 따른 전류 신호를 출력하며 사용할수록 소모되기 때문에 수명이 있음
<전기화학식 가스 센서의 구조>출처: https://www.membrapor.ch/
<전기화학식 가스 센서의 구조>출처: https://www.membrapor.ch/

바이어스 전압(bias voltage)

  • 전압이나 전류의 동작점을 미리 결정하는 것(외부에서 직류 전압/전류 인가)
  • 전기화학식 가스 센서에는 바이어스 회로가 필요함, 일반적으로 바이어스 전압은 0mV이지만 일부 가스 센서에서 양수(positive) or 음수(negative) 바이어스가 요구됨
  • 바이어스 회로의 목적은 작업전극 전위를 기준전극에 대해 일정하게 유지시키는 것, 이 역할은 상대전극 전압을 조정하여 수행됨
  • 바이어스 식: (작업(Working= sense)전극- 기준(Reference))
  • 바이어스 센서: 전위차 회로(WE, RE)가 필요한3개의 전극이 있는 센서
  • ※ 잘못된 바이어스 전압 공급 시 센서가 손상될 수 있음
 

구동 회로

어플리케이션 구성 예시

<전기화학식 3전극 가스 센서 회로 다이어그램> 출처 - analog devices
<전기화학식 3전극 가스 센서 회로 다이어그램> 출처 - analog devices

구동 회로 예시

<전기화학식 3전극 가스 센서 0mV 바이어스 회로> 출처 - SGX sensor
<전기화학식 3전극 가스 센서 0mV 바이어스 회로> 출처 - SGX sensor
<전기화학식 3전극 가스 센서 +300mV 바이어스 회로 > 출처 - SGX sensor
<전기화학식 3전극 가스 센서 +300mV 바이어스 회로 > 출처 - SGX sensor
 
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