气体传感器研究的新进展

气体传感器研究的新进展

作者：孙健

来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期

摘 要

技术人员在对各种气体类型传感器进行研究的过程中，主要是以各种气敏材料的性质以及气敏材料和气体之间的相互作用为依据。其中，比较典型的气体传感器除了半导体传感器和固体电解质气体传感器之外，还包括接触燃烧式以及光学式气体传感器等等。从气体传感器的研究现状上可以看出，国内外都进行了深入研究，成果丰硕。本文中，笔者主要对各种不同类型的气体传感器进行深入研究，希望能够给相关的研究人员提供借鉴和参考。 【关键词】气体传感器 气敏材料 研究方向 进展

社会在不断发展，人们的生活质量也在随之提升，公众对生态环境的重视程度也在不断增强。积极地对大气的污染程度进行监控，对有毒害气体进行优化。在这一过程中，气体传感器是必不可少的一种工具，在气体检测的过程中发挥着重要的作用。为了对生态环境质量进行改进，研究人员需要对气体传感器进行深入研究和分析，对其工作原理以及工作方式进行深入了解。

1 半导体气体传感器

从半导体气体传感器的分类上可以看好粗，从其材料类型上可以看出，主要是以金属氧化物传感器和有机半导体传感器两种类型为主。 1.1 金属氧化物半导体气体传感器

从20世纪60年代中期开始，金属氧化物半导体气体传感器就得到了高效地应用，无论是从工作的灵敏度还是从设备的性能上看都具有一定优势。在这种气体传感器在应用的过程中所应用的主要气敏材料主要为SnO2和ZnO等等。经过深入地研究发展，这些材料当中不仅具有单一的金属氧化物材料，还存在着一些复合型的金属氧化物等等。从这种类型的半导体传感器上看，还可以将其分为电阻式和非电阻式两种形式。在实际的应用工程中都得到了广泛地应用。

1.2 有机半导体气体传感器

从有机半导体传感器所应用的材料类型中可以看出，主要是以酞菁类聚合物为主。这种物质的化学结构和有机半导体之间存在着密切的关系，聚合物的形态不同在研究的过程中所使用

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的技术类型也不同。在实际的研究过程中，需要将传感器的工作特点和计算机识别模式相结合。从国内不用学者的研究结果中可以看出，研究人员的研究工作侧重点不同，但是每一种研究结果都具有一定的应用价值。 2 固体电解质气体传感器

所谓的固体电解质就是指以离子或者是质子为依据来实现固态物质的传导。固体电解质气体传感器在应用的过程中所应用的气敏材料在特殊环境下，会形成一定的离子结构，通常情况下，离子在传导的过程中会形成一种电势差。根据这一因素的指数来对气体整体的浓度进行测定。固体电解质传感器的电导率会随着温度的升高而提升，其林敏度和选择性也比较强。基于这种优势作用，在石化生产、节能环保以及交通运输和航空航天等行业中得到了广泛地应用。 说到固体电解质气体传感器，不得不提到的是ZrO2这种材料，以这种材料为主的氧传感器是比较典型的气体电解传感器类型。这种传感器的待测气体和电解质中的离子性质具有一致性，不仅工作原理简单，在应用的过程中降低了操作人员的工作量。工作人员研究的重点就是不同类型传感器的不同特性。 3 接触燃烧式气体传感器

这种传感器的工作原理比较简单，主要是气敏材料在通电状态下其温度可以达到500e，如果在材料当中加入一定含量的催化剂，或者是材料进行了可燃性燃烧，电阻值都会随之出现明显的变化。燃烧工作如果不间断就会造成电热丝的升温状态，电阻值的变化程度就会加剧，气体的浓度也会发生改变。接触燃烧式气体传感器的优点比较突出，对气体具有较强的选择性，而且不容易受到温度或者是湿度等因素的影响。反应速度和其他的气体传感器相比具有较强的优势。这种传感器和材料在社会工业生产的过程中得到了高效的应用。通过这种传感器生产出的气体产品较多，其中包括H2、CH4等等。应用到报警器上的传感器结构比较多，但是在实际的应用中会对低浓度可燃性气体的灵敏度和敏感元件产生严重的破坏。 4 光学式气体传感器

从这一类型的传感器应用的过程中可以看出，包含的类型比较多。其中包括光谱吸收型、荧光性以及光纤化学材料等等。其中，光谱吸收型的工作原理如下：不同气体类型的分子结构和浓度都存在着明显的差别，气体传感器本身具有一定的选择性和鉴别性。在实际的研究过程中可以达到一定的精准度。另外，光谱结构还可以对气体的含量和性质产生严重的影响。经过多年的研究，技术人员已经开发出了不同形式的气体传感器，包括流体切换式、流程直接测量式等等。这些类型的传感器可以对汽车的尾气，工业燃烧的有害物质等进行检测，光纤化学传感器就是在光纤结构的表面涂上一层特殊形式的化学材料，对光纤结构的耦合程度、反射系数等因素进行控制，然后采用科学的仪器来对这些参数进行检测，并且随时进行强度的调制。

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5 气体传感器的发展方向

（1）气敏材料一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料的敏感特性进一步提高，尤其是通过选择不同的添加剂来改善同一基质材料对不同气体的选择性；另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术使气敏材料各方面的性能均得到大大改善。

（2）新型气体传感器的开发和设计：根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器是气体传感器未来发展的重要方向和后劲。 6 总结

社会的发展变化对气体传感器提出了更高的要求，气体传感器智能化是其发展的必由之路。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字化的智能气体传感器将是以后该领域的重要研究方向。 参考文献

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[3]谢丹.基于电荷流动晶体管的新型气敏传感器[J].半导体学报，2011，22（7）：933-936. [4]刘崇学.气体传感器的发展概况和发展方向[J].计算机自动测量与控制，2012，7（2）：55.

作者单位

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆市 400037