Los sensores de gas electroquímicos son detectores de gas que miden la concentración de un gas objetivo oxidando o reduciendo el gas objetivo en un electrodo y midiendo la corriente resultante.
En 1962, Naoyoshi Taguchi comenzó a investigar y se convirtió en la primera persona del mundo en desarrollar un dispositivo semiconductor capaz de detectar bajas concentraciones de gases combustibles y reductores cuando se utilizaba con un circuito eléctrico simple. Los dispositivos basados en esta tecnología suelen denominarse "TGS" (sensores de gas Taguchi). [1]
Los sensores contienen dos o tres electrodos, ocasionalmente cuatro, en contacto con un electrolito . Los electrodos se fabrican típicamente fijando una gran superficie de metal precioso sobre la membrana hidrófoba porosa . El electrodo de trabajo entra en contacto tanto con el electrolito como con el aire ambiente que se va a controlar, generalmente a través de una membrana porosa. El electrolito más comúnmente utilizado es un ácido mineral , pero también se utilizan electrolitos orgánicos para algunos sensores. Los electrodos y la carcasa suelen estar en una carcasa de plástico que contiene un orificio de entrada de gas para los contactos eléctricos y de gas.
El gas se difunde en el sensor, a través de la parte posterior de la membrana porosa hasta el electrodo de trabajo, donde se oxida o se reduce. Esta reacción electroquímica produce una corriente eléctrica que pasa a través del circuito externo. Además de medir, amplificar y realizar otras funciones de procesamiento de señales, el circuito externo mantiene el voltaje a través del sensor entre los electrodos de trabajo y contraelectrodo para un sensor de dos electrodos o entre los electrodos de trabajo y de referencia para una celda de tres electrodos. En el contraelectrodo, se produce una reacción igual y opuesta, de modo que si el electrodo de trabajo es una oxidación, entonces el contraelectrodo es una reducción.
La magnitud de la corriente se controla según la cantidad de gas objetivo que se oxida en el electrodo de trabajo. Los sensores suelen estar diseñados de forma que el suministro de gas esté limitado por la difusión y, por tanto, la salida del sensor sea linealmente proporcional a la concentración de gas . Esta salida lineal es una de las ventajas de los sensores electroquímicos frente a otras tecnologías de sensores (por ejemplo, los infrarrojos), cuya salida debe linealizarse antes de poder utilizarlos. Una salida lineal permite una medición más precisa de concentraciones bajas y una calibración mucho más sencilla (solo se necesitan una línea base y un punto).
El control de la difusión ofrece otra ventaja. Cambiar la barrera de difusión permite al fabricante del sensor adaptar el sensor a un rango de concentración de gas objetivo particular. Además, dado que la barrera de difusión es principalmente mecánica, la calibración de los sensores electroquímicos tiende a ser más estable en el tiempo y, por lo tanto, los instrumentos basados en sensores electroquímicos requieren mucho menos mantenimiento que algunas otras tecnologías de detección. En principio, la sensibilidad se puede calcular en función de las propiedades de difusión de la trayectoria del gas hacia el sensor, aunque los errores experimentales en la medición de las propiedades de difusión hacen que el cálculo sea menos preciso que la calibración con gas de prueba. [2]
En el caso de algunos gases, como el óxido de etileno , la sensibilidad cruzada puede ser un problema porque el óxido de etileno requiere un catalizador de electrodo de trabajo muy activo y un alto potencial operativo para su oxidación. Por lo tanto, los gases que se oxidan más fácilmente, como los alcoholes y el monóxido de carbono, también darán una respuesta. Los problemas de sensibilidad cruzada se pueden eliminar mediante el uso de un filtro químico, por ejemplo, filtros que permiten que el gas objetivo pase sin obstáculos pero que reaccionan con las interferencias comunes y las eliminan.
Si bien los sensores electroquímicos ofrecen muchas ventajas, no son adecuados para todos los gases. Dado que el mecanismo de detección implica la oxidación o reducción del gas, los sensores electroquímicos generalmente solo son adecuados para gases electroquímicamente activos, aunque es posible detectar gases electroquímicamente inertes de manera indirecta si el gas interactúa con otra especie en el sensor que luego produce una respuesta. [3] Los sensores de dióxido de carbono son un ejemplo de este enfoque y han estado disponibles comercialmente durante varios años.
La sensibilidad cruzada de los sensores químicos electrónicos también se puede utilizar para diseñar conjuntos de sensores químicos , que utilizan una variedad de sensores específicos que son reactivos de forma cruzada para la detección de huellas dactilares de gases objetivo en mezclas complejas.