Cảm biến khí là gì?
Hiện nay chất lượng không khí đang được rất nhiều người quan tâm, nhưng mũi người rất khó để xác định các loại hay nồng độ khí trong bầu khí quyển.
Để làm những việc này chúng ta cần những loại cảm biến chuyên dụng. Có nhiều loại cảm biến khác nhau để phát hiện các loại khí khác nhau như oxy, carbon dioxide, nito, khí gas, ... Chúng cũng có thể được tìm thấy trong các thiết bị được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí độc hại hay giám sát chất lượng không khí.
Cảm biến khí thường được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên loại phần tử cảm biến cấu tạo nên nó:

• Cảm biến khí oxit bán dẫn.
• Cảm biến khí quang.
• Cảm biến khí điện hoá.
• Cảm biến khí dựa trên điện dung.
• Cảm biến khí nhiệt lượng.
• Cảm biến khí dựa trên âm thanh.

Cảm biến khí oxit bán dẫn
Cảm biến khí oxit bán dẫn là loại cảm biến khí đơn giản và được sử dụng nhiều nhất với những ứng dụng cầm tay. Chúng có những ưu điểm như kích thước nhỏ, chế tạo đơn giản, giá thành thấp.
Tính chất quan trọng của vật liệu cảm biến bán dẫn đó là sự thay đổi tính chất điện khi tiếp xúc với khí cần dò. Nguyên lý dò khí của cảm biến khí theo cơ chế bề mặt là sự thay đổi tính chất điện của vật liệu khi đặt trong môi trường không khí và môi trường có khí cần dò. Những tương tác rắn – khí trên bề mặt ảnh hưởng tới mật độ điện tử, từ đó làm thay đổi điện trở của vật liệu. Hai đặc tính quan trọng của cảm biến khí đó là độ nhạy và tỉ lệ giữa thời gian phản ứng và thời gian phục hồi của cảm biến. Việc pha tạp kim loại hay oxit kim loại có thể khắc phục những nhược điểm này.
Các loại cảm biến oxit bán dẫn phổ biến:

• MQ-2 cảm biến khí: Mentan (CH₄), Butane, LPG (khí dầu mỏ hóa lỏng), khói

• MQ-3 cảm biến khí: Alcohol, Ethanol, khói

• MQ-4 cảm biến khí: Mentan (CH₄), CNG Gas (khí thiên nhiên chủ yếu là metan)
• MQ -5 cảm biến khí: Natural Gas, LPG
• MQ-6 cảm biến khí: LPG, Buntane

• MQ-7 cảm biến khí: Carbon Monoxide (CO)
• MQ-8 cảm biến khí: Hydrogen Gas (H₂)
• MQ-9 cảm biến khí: Carbon Monoxide (CO), Flammable Gasses (khí dễ cháy)
• MQ-131 cảm biến khí: Ozone (O₃)
• MQ-135 cảm biến khí: Chất lượng không khí

• MQ-136 cảm biến khí: Hydrogen Sulphide gas (H₂S)
• MQ-137 cảm biến khí: Ammonia (a-mô-ni-ắc NH₃)
• MQ-138 cảm biến khí: Benzene, Toluene, Alcohol, Propane, Hydrogen
• MQ-214 cảm biến khí: Mentan (CH₄), Natural Gas ( khí thiên nhiên 85 % metan)
• MQ-216 cảm biến khí: Natural Gas ( khí thiên nhiên 85 % metan), Coal Gas

Cấu tạo cảm biến oxit bán dẫn
Dưới đây là cấu tạo của cảm biến MQ-2, các loại khác có cấu tạo tương tự.

• Gas sensing layer (SnO₂): đây là thành phần chính trong cảm biến, được sử dụng để cảm nhận sự thay đổi nồng độ của các chất khí từ đó thay đổi điện trở. Lớp cảm biến khí về cơ bản là một điện trở hóa trị, giá trị điện trở của nó thay đổi dựa trên nồng độ khí cụ thể trong môi trường. Vì vậy bất cứ khi nào phát hiện khí sẽ làm điện trở thay đổi làm dòng điện thay đổi thể hiện sự thay đổi nồng độ khí.
• Electrode (Au): Nó là một điểm nối nơi đầu ra của lớp cảm biến được kết nối với đường điện cực. Sao cho dòng điện đầu ra có thể chạy đến thiết bị đầu cuối cần thiết. Một điện cực ở đây được làm bằng Vàng (Au) là chất dẫn điện rất tốt.
• Electrode line (Pt): Vì phần tử cảm biến tạo ra một dòng điện rất nhỏ khi khí được phát hiện, nên điều quan trọng hơn là phải duy trì hiệu suất của dòng điện nhỏ đó. Vì vậy, dây bạch kim phát huy tác dụng ở chỗ nó giúp di chuyển các electron một cách hiệu quả.
• Heater coil (Ni-Cr): mục đích của cuộn dây sưởi là đốt cháy phần tử cảm biến để tăng độ nhạy và hiệu quả của phần tử cảm biến. Nó được làm bằng Niken-Crom có ​​nhiệt độ nóng chảy cao để nó có thể nóng lên mà không bị nóng chảy. Điều này giải thích tại sao khi sử dụng cảm biến dạng này thường thấy nó nóng lên và đôi khi hơi có khói và mùi cháy gì đó.
• Tubular ceramic (Al₂O₃): ở giữa Gas sensing layer và Heater coil tồn tại một loại gốm hình ống vì nó có độ nóng chảy cao, nó giúp duy trì quá trình đốt cháy (làm nóng sơ bộ) của lớp cảm biến, mang lại độ nhạy cao cho lớp cảm biến để có được dòng điện đầu ra hiệu quả.

Nguyên lý hoạt động cảm biến oxit bán dẫn
Khả năng phát hiện khí của cảm biến phụ thuộc vào chemiresister (điện trở hóa trị) để dẫn dòng điện. Chemiresistor được sử dụng phổ biến nhất là Thiếc Dioxit (SnO₂), là một chất bán dẫn loại N có các điện tử tự do (còn được gọi là chất cho). Thông thường trong không khí chứa nhiều oxy hơn các khí dễ cháy. Các phần tử oxy sẽ thu hút các điện tử tự do có trong SnO₂ và đẩy chúng lên bề mặt. Vì không có electron tự do nên dòng điện đầu ra sẽ bằng không.
Khi đặt cảm biến trong môi trường khí độc hoặc dễ cháy, khí khử này phản ứng với các phần tử oxy bị hấp phụ và phá vỡ liên kết hóa học giữa oxy và các điện tử tự do, do đó giải phóng các điện tử tự do . Khi các điện tử tự do trở lại vị trí ban đầu, chúng có thể dẫn dòng điện, sự dẫn điện này sẽ tỷ lệ thuận với số lượng điện tử tự do có sẵn trong SnO₂, nếu khí có độc tính cao thì sẽ có nhiều điện tử tự do hơn.
Ứng dụng của cảm biến khí oxit bán dẫn

• Các cảm biến khí thường được sử dụng để kiểm tra chất lượng không khí trong máy lọc không khí.
• Làm thiết bị đo nồng độ cồn, phân tích hơi thở.
• Sử dụng trong các ngành công nghiệp để theo dõi nồng độ của các khí độc hại.
• Sử dụng trong các hộ gia đình để phát hiện sự cố khẩn cấp như rò rỉ khí gas.
• Sử dụng tại các vị trí giàn khoan dầu để theo dõi nồng độ của các khí thải ra.
• Sử dụng trong máy điều hòa không khí để theo dõi mức CO2.
• Sử dụng trong việc phát hiện đám cháy (cảm biến khói).
• Dùng để kiểm tra nồng độ các chất khí trong mỏ.