气体传感器研究进展

２０１３年第ｌ１期总第１３１期　ＳｌＬＩＣ０Ｎ　ＶＡＬＬＥＹ　气体传感器研究进展　井云鹏　（中国电子科技集团公司第四十九研究所。黑龙江哈尔滨１５０００１）　摘　要通过对气体传感器原理和发展历程的研究和归纳，对电化学型、光学型及电学型气体传感器的原理、发展、　特点以及适用范围进行了阐述。文章针对国际上目前气体传感器的发展趋势进行了详细的分析，归纳了气体传感器新　原理、新材料及优化结构这三个方面的发展方向，并对应用ＭＥＭＳ技术研制气体传感器提出了展望。　关键词气体传感器；气敏元件；发展趋势　中图分类号：ＴＰ２１２．１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１－７　５９７（２０１　３）１１－００１１－０３　２Ｏ世纪６０年代Ｗｉｃｋｅｎｓ和Ｈａｔｍａｎ利用气体在电极上的氧　电化学式、红外式、石英振荡式、光纤式、声表面波以及气相　化还原反应研制出了世界上第一个气体检测器，而后８０年代年　英国Ｐｅｒｓａｕｄ等人提　了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是气　体传感器的雏形。　如今气体传感器持续发展，在环境检测和安防领域都有了　色谱原理的气体传感器。气体传感器分类方式较多，本文将气　体传感器从原理上分为三大类，分别是电化学型、电学型和光　学型。　２．１电化学型　广泛的应用。随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用，　同内外科研人员开始深入研究可燃气体的检测方法和控制方法，　并产生了多种用于气体检测与分析的传感器、仪器仪表等，并　大量应用于生产生活中的气体检测与成分分析中。　１气体传感器概述　气体传感器是气体分析与检测系统的重要组成部分。气体　传感器可简述为感知气体并确定其浓度的器件，该器件能够把　气体的成分和气体的浓度等信息由非电量转换为电量，从而实　现气体的测量。　考量气体传感器的主要指标有以下几个方面。　１．１稳定　眭　电化学型气体传感器利用了电化学性质的气体传感器，这　种气体传感器是生产生活中较为常见的气体感知元件，其中较　为常见的是电化学型一氧化碳传感器，其工作原理可表征多数　电化学气体传感器，即：通过恒定电位作电化学性氧化还原这　方式，使得气体浓度数据可被电学方法检出。电化学型气体　传感器有工作电极与对电极组成，两组电极构成一个电极对，　工作时发生放电的电化学反应，Ｔ作电极与对电极之间就会产　生微弱电流。在其他参数固定的情况下，这个微弱电流值与气　一体浓度成正比。　气体传感器的稳定性是指在整个工作时间内其由被测气体　所产生的响应的稳定性，它与零点漂移和区间漂移密切相关。　这里的零点漂移是指在被测气体中不含油目标气体的情况下，　在规定的时间内气体传感器输出的信号波动；而区间漂移则指　在被测气体始终存在的情况下传感器的输出信号波动。理想情　况下，气体传感器每年的零点漂移不大于１０％。　１．２灵敏度　电化学方法可以检出含氧元素的气体，如氧气、一氧化碳、　二氧化硫等，并被制备成其他形式的传感器、检测器以及各类　仪器，如火灾报警器、医学血氧量传感器等。　电化学类气体传感器检测气体时选择性好，灵敏度高，成　本较低，这是它的主要优势。而其存在的主要局限有两点，一是　在电化学原理致使这种传感器对干扰气体的响应仍然存在，一定　程度上造成检测的偏差，所以在实际应用中必须针对传感器所处　环境的其他干扰气体进行详细的考虑并进行抗干扰设计；二是这　种气体传感器的寿命较短，并不是指校正周期，而是在两年左右　旧的传感器探头需要被直接由新制备的传感器探头替换。　２．２电学型　气体传感器的灵敏度通常是指其输出变化量与被测输入变　化量的比值，该指标取决于传感器原理及其内部结构。　这里要提到一种交叉灵敏度，它是测量在干扰气体被引入　时，传感器的信号输出变化，这种灵敏度也被称为选择性。这　项指标对于多种气体环境下的气体测量是一项重要指标，交叉　灵敏度会降低气体检测的可靠性。　１．３抗腐蚀性　电学型气体传感器的主要原理是利用了材料的电学特征与　气体浓度存在一定关系，这种关系可以直接通过电学方法检　。　电学型气体传感器从大范围上可分为电阻型和非电阻型。　其中，电阻型气体传感器包括接触燃烧型、热导型和半导体型　气体传感器；非电阻型主要是指利用电流或电压与某种气体浓　度存在比例关系的类型，可分为ＭＯＳ型、场效应管型以及结型　二极管型气体传感器。　接触燃烧型电阻气体传感器的测量对象通常为可然ｌ生气体，　这些气体在气敏元件的表面进行氧化反应，反应使得元件热量　增加，产生电阻阻值变化，通过测量阻值变化即可检出不同浓　度的气体。传感器工作温度在４００左右，待检气体中含有可　燃性成分时，由催化剂致使燃烧可在工作温度下发生，此时传　感器电阻值增加，因此测量电阻即可实现环境中可燃气体浓度　的检测。这种传感器的主要优势是不容易被外界温度影响，其　稳定性较高，同时由于电阻值与气体浓度之问的关系几乎呈线　抗腐蚀性主要捕述的是气体传感器在高体积分数的待测气　体中长期曝露或是在某一气体组分骤然增加时，传感器能够承　受的预期的气体体积分数，同时，在回归到常规Ｔ况后，传感　器能仍然回归到零点附近一定范用值。　以上的传感器指标，基本依赖传感器自身材料的选择和制　造Ｔ艺来保障。　２气体传感器分类及其原理　气体传感器主要有电阻和非电阻型半导体式、绝缘体式、　Ｔ高新技术产业发展　■ＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　ＤＥＶＥＬ＿０ＰＭＥＮＴ　性，因此其测量效果好，数据处理方面也不必做太多工作。而　接触燃烧型气敏元件的寿命在１年左右，不仅如此，传感器内　的催化剂可能会和其他气体发生化学反应使得催化剂失效，因　此传感器稳定性也较差。　热导型气敏元件也是用来测量可燃气体的。由于不同的可　燃气体，其导热系数与空气存仵一定的差异，热导型气敏元件　通过电路把导热系数非电量转化为电量来测量，通常是转化为　电阻。热导型气体传感器需要气室、热敏电阻和加温器等组成　部分，待检气体进入气室后，加温器将热敏电阻加热到某一特　定温度，待测气体的热导系数高时，热量在热敏元件上被带走，　热敏电阻阻值变小，通过检测电阻来测量气体浓度。　半导体　气体传感器也是一种测量可燃气体的传感器，它　的原理是利用半导体材料的表面对气体分子的吸附和脱离作用　使得其电导率发生改变这一性质来实现气体检测的。这种传感　器应用较为广‘泛，由于其敏感元件灵敏度、响应速度以及可靠　性能方面的指标相比其他气敏元件更优，被作为可燃气体检测　的主流传感器。　电阻型半导体气体传感器利用电阻阻值与气体浓度的关系　实现气体的检测；非电阻型半导体气敏元件则利用其他电学量，　如电流、电压与气体浓度的关系实现气体的检测。半导体气体　传感器具有灵敏度高、寿命长、成本低等优点。目前在全世界　范同产量巨大，２０１１年度已经超过了２００亿美元。半导体型气　体传感器存在的主要问题有＝ｉ点：一是其对气体的选择性较差，　因此被干扰和错误报警的情况较为常见；二是其输出呈非线性，　冈此想提高精度并不容易，标定也存在一定困难；三是其长时　间放置会发生氧化反应，从而使传感器自动休眠，导致传感器　再次遇到被测气体时没有信号输　。　２．３光学型　光学型气体传感器主要利用了气体的光学特性，主要有直　接吸收式和光反应式两种。　红外线原理的气体传感器是最为常见的光吸收式气体传感　器，这种传感器利用气体的特征红外吸收光谱来确定气体的组　分和浓度，由于不同气体的特征红外吸收光谱存在差异性，且　同一气体不同浓度下红外吸光度将随气体浓度的增加而成正比　的上升。不同种类的气体具有其各不相同的光谱吸收谱检测气　体成分，非分散红外吸收光谱对硫化和碳化气体具有较高的灵　敏度。另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、　自调制光吸收法对氮、硫化气体和烃类气体具有较高的灵敏度。　红外气体传感器较为典型的应用就是七十年代早期的多组分红　外线气体检测器，该设备的广泛使用使得光学原理的气体检测　存当时备受重视，从而促进了气体传感器的发展。　光离子化法是一种化学分析方法，到今天已经有六十多年　的历史。在２０世纪五十年代就出现了这种仪器研制成功的相关　报道。我国中科院也在２０世纪末完成了我国第一台光离子化气　体传感器。光离子化传感器南紫外灯和离子室组成，南紫外灯　作为光源，透过氟化锂窗作用到被测气体上，此时被测气体在　离子室，气体存离子室南丁光的作用变为蒸气态，分子吸收光　子能量，实现了光离子化作用。光离子化作用发生时产生能量　流动（即离子流），该离子流与被测气体的浓度呈线性关系。　光离子化气体传感器种，紫外灯光源在使用过程巾对清洁　度有较高要求，冈此该仪器不适合作为长期在线监测使用。　光离子化气体传感器目前主要应用在微量有机化合物的分　析Ｔ作中，其中多数应用于有毒有害气体的检测。美国一些化　学分析仪器制造公司研制了多款数显光离子化检测器来测量空　气中苯系物的浓度，而我国目前只有中国电子科技集团４９所拥　有自主知识产权的光离子化气体检测器，相比发达国家其发展　速度仍较为缓慢。　３气体传感器发展趋势　３．１气敏材料　气敏材料的研究进展对气体传感器发展影响非常大，可以　说，气敏材料的研究成果是气体传感器技术进步的基石。近年来，　对于新型的气敏材料研究很多，其中，对半导体、陶瓷以及高　分子材料的研究颇多。尤其在半导体气敏材料研究方面，各国　在大量研究金属氧化物的同时，对一些复合金属氧化物以及混　合金属氧化物也进行了大量的研究，取得了一定的进展。　对半导体气敏元件的研究及其主要技术指标的优化，可通　过在材料中加入可优化气体传感器灵敏度和响应时间参数的元　素来实现，也称为掺杂Ｔ艺；同时，还尝试多种催化剂以提高　气敏元件的交叉灵敏度；＿Ｔ艺水平的提高也为气体传感器的灵　敏度、选择性、稳定性等指标提供了可提升的空间。　目前，应用了催化技术实现的ＣＨ４传感器以及半导体ＰＮ　型气体传感器，很大程度上提高了传感器的各项技术指标。值　得一提的是，目前压电晶体和光纤材料已经成为了加Ｔ气体传　感器的常用材质。　３．２气体传感器结构及其智能化　气体传感器在结构方面，借助于半导体技术的发展，其传　感器结构逐渐由单元件、单一功能发展到了多元件、多功能，　例如实现了多个传感器与信号采集与处理电路的整合，使其以　小体积芯片的形式封装；同时随着计算机技术的发展，智能气　体传感器例如机器嗅觉系统，可完整的实现从识别气体种类、　浓度乃至循迹、循源等功能。　机器嗅觉技术结合了传感器技术、数字信号和模拟信号处　理技术以及计算机技术，通常机器嗅觉是通过多个气体检测单　元有机结合来实现的，能够有效检测气体组分。机器嗅觉技术　在２Ｏ世纪６０年代年被首次提出，到８０年代美国率先将多个气　体传感器组成形成阵列，成功地测量出气体种类和组成，由此　开始了机器嗅觉领域的篇章，使得这种综合性气体传感器迅速　在多个领域展开应用。　到今天为止，美国、德国、英国等发达国都已经拥有自主　研发的机器嗅觉产品，其中，美国ＩＳＴ公司生产的多参数气体　检测装置目前已经达到了仅用一台机器即可检出近百种的气体　成分的能力。而目前从可获得的资料来看，我国机器嗅觉技术　仍处于试验期。　３．３新型传感器工艺　近年来基于微电子和微机械的快速发展，ＭＥＭＳ技术也取　得了较多的研究成果，而对于新型微结构气体传感器的研究虽　然有但并不深入，目前主的研究主要针对硅基微结构气体传感　器展开。　硅基微结构气体传感器的衬底是硅１『ｌ『敏感层则为非硅材料，　主要有金属氧化物半导体、固体电解质型、电容型、谐振器型。　ＭＥＭＳ技术将传感器与集成电路结合起来，使其具有体积小、　重量轻、结构可靠、准确度高、互换性好和低功耗等优势，尤　其是其生产可以完全自动化实现，大大提高了生产效率并降低　了制作成本。ＭＥＭＳ是传感器工艺的发展方向，大多数的传感　器都能够通过ＭＥＭＳ技术来实现。而近年来纳米技术的发展与　ＭＥＭＳ技术同样带给气体传感器更理想的技术支持，给气体传　感器更广阔的发展空间，是气体传感器技术革命的重要支撑。　２０１３年第１１期总第１３１期　ＳｌＬ＿Ｃ０Ｎ　ＶＡＬＬＥＹ　４结束语　随着环境检测与安全领域对气体检测与分析要求的不断提　高，气体传感器也随之不断发展。近年来，随着测试测量技术　的发展及传感器智能化技术的发展，基于电化学、电学与光学　原理的气体传感器在其自身原理的基础上取得了一定的发展，　但是从根本上来讲，推进气体传感器发展的核心还是取决于新　材料、新结构和新工艺的发展，如今ＭＥＭＳ技术的发展推进了　气体传感器的飞跃发展，相信不久的将来，伴随其他高新技术　的发展，气体传感器的发展也将谱写新的篇章。　参考文献　（１１）：６８　５－６９０．　［４］何遭清．传感器与传感器技术［Ｍ］．北京：科学出版社，　２００３：３７７—３９６．　［５］陈艾．敏感材料与传感器［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２００４：１７７－２１２．　［６］Ｍａｄｎｕｄｈａｒａ　Ｒｅｄｙ　ＭＨ．Ｃｈａｎｄｒｋａｒａｎ．１９９２．ＲｅＳｐｏｎｓｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｅ１ｅｃｔｔｏｎ—Ｂｅａｍ　Ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉ　ｌｍ　ＯｘｄｅｇａＳ　ＳｅｎｓｏｒＳ．　ＳｅｎｓＯｒ　ｓ　ａｎｄ　ＡｃｔｕａｔＯｒＳ．Ｂ．９：１—８．　［７］Ｓｒｃｚｕｒｅｋ　Ａ，Ｓｚｅｃｏｗｋａ　Ｐ．Ｍ．，Ｌｉｃ『ＩＩＩＩＩｋｉ　Ｂ．Ｗ．．Ａｐｐ１　ｉｃａｔ　ｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｍｙ　ａｎｄ　ｎｅＨｒａ１　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｆｏｒ　ｑｕａｎｔ　ｉｆｉｃａｔ　ｉＯｎ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉＣ　ＳＯ１ｖｅｎｔ　ｓ　ｖａｐｏｒＳ　ｉｎ　ａｉｒ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ＡｃｔｕａｔｏｒＳ　［１］潘小青，刘铁成．气体传感器及其发展［Ｊ］．华东理工学院学　Ｂ．１９９９（５８）：４２７—４　３２．　报，２００４，２７（１）：８９－９１．　［２】刘崇进，郑大日，陈明光，等．气体传感器的发展概况和发　作者简介　展方向…．计算机自动测量与控制，１９９９，７（２）：５４—５　６．　井云鹏（１　９　７９－），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，研究方　［３】吴孔宝．物理原理在气体检测中的应用［Ｊ】．物理，１　９９４，１２３　向：传感器设计与市场推广。　（上接第２５页）　３．２服务端　虚拟键鼠程序开发的关键技术和过程。但由于时间和技术原因，　该模块基于Ｓｏｅｋｅｔ协议，采用Ｓｅ￣ｅｒ—Ｃｌｉｅｎｔ模式进行设计。　其中部分功能模块还有待完善和优化，今后将对鼠标助手和键　服务器使用ｓｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ进行端口的监听，等待用户的连接请求。　盘助手的用户体验度，服务端如何支持多用户模式进行进一步　客户端通过Ｓｏｃｋｅｔ进行连接请求，连接成功之后，服务器对客　研究。　户端发送的请求进行监听，并对其操作进行响应。　４工程实践　参考文献　本文设计并实现了基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的手机虚拟键鼠应用程　［１］杨丰盛．Ａｎｄｒｏｉｄ应用开发揭秘【Ｍ］．北京：机械工业出版社　序，其功能包括键盘助手，鼠标助手，ＰＰＴ助手功能。目前该　２０１　０．　应用程序已经在宁波大红鹰学院信息工程学院推广使用，取得　［２］盛华．Ｊａｖａ网络编程实用精解【Ｍ］．北京：机械工业出版社　了良好的效果。　２０Ｏ９．　５结束语　［３］刘文斌．Ａｎｄｒｏｉｄ　ｕＩ基础教程【Ｍ］．北京：人民邮电出版社　本文主要研究了Ａｎｄｒｏｉｄ平台的特性，阐述了Ａｎｄｒｏｉｄ手机　２０】２．　（上接第３２页）　。（上接第４７页）　解决了本系统的主要控制对象，输灰系统设备数量相对较少，　５结论　采用时序控制即可。具体方法本文不再赘述。　经过这次项目设计，掌握了很多科学仪器设备、元器件的　参考文献　使用方法；学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络　【１］陈在平．可编程序控制器技术与应用系统设计【Ｍ］．北京：机　查找资料。对我们所学知识的进行了一次运用和检阅，同时也　械工业出版社，２ＯＯ３．　提高了自学能力。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，　［２］西门子自动化与驱动部ｓＩＭＡＴＩＣ使用ＳＴＥＰ　７　Ｖ５．３编程手册　让我知道，只有在正确的理论指引下，才能设计出合乎实际需　［Ｍ］．２００４．　要的硬件电路。　［３］罗庚兴．基于ｓ　７—３００ＰＬＣ的模糊控制器的设计［Ｊ］．电气自动　参考文献　化，２０１２．　［１］魏立峰，王宝兴．单片机原理与应用［Ｍ］．北京大学出版社，　［４］苏昆哲．深入浅出西门子ＷｉｎＣＣ　Ｖ６［Ｍ］．北京：北京航空航天　２００６．　大学出版社，２Ｏ０４．　［２］郭天祥．新概念５１单片机Ｃ语言教程［Ｍ］．电子工业出版社，　【５］刘锴．深入浅出西门子ｓ７—３００ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北京航空航天大　２０Ｏ９．　学出版社，２００４．　作者简介　作者简介　宣长剑，苏州大学应用技术学院，机械电子专业。　孙兴盛（１　９８　０一），男，辽宁鞍山人，职称：工程师，学　本论文中卢亚平老师为通讯作者。　历：本科，研究方向：电力自动化。