氣體傳感器的技術(shù)分析及應(yīng)用”

隨著生活水平的提高和環(huán)保意識的加強(qiáng)，人們對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提了更高的要求，作為感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器在生產(chǎn)、生活中的作用日益凸顯。

8月14日HOPE開放創(chuàng)新平臺(tái)推出了“HOPE大家說”，邀請了來自德國的電化學(xué)氣體傳感器專家Peter Koller 博士與國內(nèi)電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用專家李德霞女士，分享了“氣體傳感器的技術(shù)分析及應(yīng)用”，并與海爾各產(chǎn)業(yè)線上的優(yōu)秀創(chuàng)客們，對氣體傳感器在各領(lǐng)域的應(yīng)用上，進(jìn)行了深度探討。

氣體傳感器的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了世界上第一個(gè)氣體檢測器，而后80年代年英國Persaud等人利用氣體檢測器模擬生物嗅覺，研發(fā)出了氣體傳感器的雛形。

20世紀(jì)初第一只半導(dǎo)體傳感器于英國誕生，并一直在歐洲發(fā)展和應(yīng)用，直到20世紀(jì)50年代半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)才流傳到日本，并由日本人把這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)到了頂峰。而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體技術(shù)的種種不足后，開始研究其他傳感器。氣體傳感器的理論直到上個(gè)世紀(jì)70年代才傳入我國，80年代才進(jìn)入研制階段，整個(gè)技術(shù)主要繼承于德國。

氣體傳感器的廣泛應(yīng)用

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主干和關(guān)鍵要素。傳感器作為通向現(xiàn)實(shí)世界的接口，是物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵“組成部分”，提供與壓力、溫度、位置、角度、時(shí)間、電流、電壓等物理參數(shù)相對應(yīng)的電子信號。而氣體傳感器則是傳感器技術(shù)領(lǐng)域中重要門類之一，它包括半導(dǎo)體氣體傳感器、固體氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器等（如表１），橫跨了功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術(shù)、納米技術(shù)、有機(jī)高分子等眾多基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科。

（表１：常用氣體傳感器的原理、應(yīng)用場景及優(yōu)缺點(diǎn)）

類型

工作原理

應(yīng)用場景

優(yōu)缺點(diǎn)

半導(dǎo)體氣體傳感器

由金屬半導(dǎo)體氧化物或者金屬氧化物材料制成的檢測元件， 與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附和反應(yīng)，引起載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測量的。

工業(yè)、家用領(lǐng)域爆炸下限內(nèi)氣體的半定量、定性檢測

對常見污染物檢測線性范圍相對較窄；受背景氣體干擾較大；易受環(huán)境溫度影響等；功耗高

MEMS傳感器

把不同的敏感元件集成在同一芯片上實(shí)現(xiàn)多功能傳感(如微型氣敏傳感器)；還可以把多個(gè)相同的敏感元件集成在同一芯片上形成傳感器陣列

醫(yī)療、汽車電子、運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)、手機(jī)拍照領(lǐng)域

工藝 未來發(fā)展空間巨大

固體氣體傳感器

使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢，測量電動(dòng)勢從而測量氣體濃度。

應(yīng)用特定場合

選擇性，靈敏度高于半導(dǎo)體；壽命又長于電化學(xué)；響應(yīng)時(shí)間過長；功耗較大；成本高；高功耗

催化燃燒氣體傳感器

在一定的條件下（300℃~400℃）被測可燃性氣體到達(dá)傳感器表面與吸附氧發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，導(dǎo)致咸濕線圈（一般為鉑金屬）電阻發(fā)生變化，通過檢測感濕線圈電阻的變化實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測。

燃?xì)庑孤侗O(jiān)測；煤礦瓦斯；石油化工、加油站防泄漏；可燃起火容積防泄漏監(jiān)控

有引燃爆炸危險(xiǎn)；無法測量過燃點(diǎn)氣體；環(huán)境對傳感器影響大；高濃度可燃?xì)鉀_擊會(huì)造成損壞；容易被特定化合物中毒；容易被鹵代氫和硫化氫抑制；高功耗

電化學(xué)氣體傳感器

被測氣體擴(kuò)散或泵入到催化電極（工作電極）表面，并發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，由此產(chǎn)生的電流與被測氣體的深度成正大；通過檢測電流的大小即可實(shí)現(xiàn)對氣體的測定。

工業(yè)現(xiàn)場微量毒氣定量檢測；環(huán)境保護(hù)微量毒氣定量檢測；特殊場合氧氣含量檢測；家用毒性氣體定量檢測

檢測中消耗的主要是被檢測氣體；傳感器無法在干燥無氧的空氣中工作沒有功耗

光學(xué)氣體傳感器

利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)氣體濃度測量的，常用光譜范圍1～25μm，常用的類型有DIR色散紅外線式和NDIR非色散紅外線式。

可燃?xì)舛繖z測;家庭、工業(yè)CO2檢測;工業(yè)及環(huán)保領(lǐng)域可燃?xì)?、硫化物、氮氧化物定量檢測

有一定的非線性；根據(jù)工作場合需經(jīng)常校準(zhǔn)；壽命較短；功耗高

PID氣體傳感器

利用高能量的紫外光線將有機(jī)物氣體電離，再將帶電離子在極板上形成的電流放大進(jìn)行測量，電流的大小就反應(yīng)了氣體濃度的大小

為工作人員提供實(shí)時(shí)的信息反饋，確認(rèn)他們處于沒有暴露于危險(xiǎn)化學(xué)品之中的安全狀態(tài)，確保工作人員的安全

能檢測到PPB級；可靠性高；不依賴于氧氣；受環(huán)境干擾因素較??；有一定的非線性；需經(jīng)常校準(zhǔn)；成本高；壽命短；功耗大

紅外線氣體傳感器

利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量

石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域

精度高，可靠性高，不依賴于氧氣，受環(huán)境干擾因素較小，壽命長；技術(shù)壁壘高，制造成本高，功耗大

固態(tài)聚合物傳感器——開創(chuàng)行業(yè)新技術(shù)革命

在電化學(xué)傳感器的發(fā)展過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過水液體電解質(zhì)電化學(xué)傳感器、有機(jī)溶劑電解質(zhì)電化學(xué)傳感器和離子液體電解質(zhì)電化學(xué)傳感器等類型。其中，水液體電解質(zhì)電化學(xué)傳感器的電解液易蒸發(fā)，傳感器的壽命較短;有機(jī)溶劑電解質(zhì)電化學(xué)傳感器的電解質(zhì)易燃，反應(yīng)體系復(fù)雜;離子液體電解質(zhì)電化學(xué)傳感器容易出現(xiàn)漏液、腐蝕電極等問題。為了徹底解決以上問題，人們將研究的重點(diǎn)放在了固體電解質(zhì)的開發(fā)上，并研發(fā)出了固態(tài)聚合物氣體傳感器。

人們通過在聚合物中引入離子液體，開發(fā)出了固體聚合物電解質(zhì)電化學(xué)傳感器。這種傳感器具有離子液體和聚合物二者的優(yōu)點(diǎn)，一是該電解質(zhì)具有固體電解質(zhì)的性質(zhì)，消除了離子液體密封困難的問題; 二是在聚合物中引入離子，提高了聚合物的離子導(dǎo)電性能。

固態(tài)聚合物電化學(xué)傳感技術(shù)是檢測領(lǐng)域的一次革命性創(chuàng)新，該技術(shù)依據(jù)電化學(xué)氣體檢測原理，測量可以化學(xué)分解的各種氣體，消除了常規(guī)電化學(xué)傳感器中因電解液滲漏或干涸對器件性能的影響，而且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

（表2：固態(tài)聚合物氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)）

1

無功耗

固態(tài)聚合物氣體傳感器電化學(xué)原理

2

體積小

目前最小體積 8mm*8mm*1mm

3

壽命長

傳感器壽命可達(dá)5-10年

4

高精度，高分率

精度：1%

分辨率：0.01ppm

5

穩(wěn)定性好

<2ppm

6

免維護(hù)

無需后期維護(hù)，傳感器自檢校正

7

智能化

可實(shí)現(xiàn)智能化處理，識別幾百種有毒有害氣體并對所測氣體進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)修正與匹配，最終給出精確數(shù)值

8

響應(yīng)時(shí)間短

30秒內(nèi)快速響應(yīng)

9

一致性好

可達(dá)到95%以上

10

低成本

核心部件全機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)、批量化工業(yè)生產(chǎn)

固態(tài)聚合物傳感器的兩大應(yīng)用

電子鼻：一般包括一組交叉敏感的電化學(xué)傳感器陣列、適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別方法，來自動(dòng)檢測和辨別簡單的、或復(fù)雜的氣味。和傳統(tǒng)的氣體分析技術(shù)如氣相色譜法（Gas Chromatography,GC)、質(zhì)譜法（Mass Spectroscopy,MS)、火焰離子化檢測（Flame Ionization Detection,FID）等相比，具有響應(yīng)速度快、易于使用、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在食品、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、生物及安全等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

智能傳感器（intelligent sensor）：是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集。2、成本低具有一定的編程自動(dòng)化能力。3、功能多樣化。

固態(tài)聚合物傳感器的未來與發(fā)展

固態(tài)聚合物傳感器現(xiàn)已在家電、家居領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用：凈化甲醛、燃?xì)鉄崴?/u>的CO預(yù)警、新風(fēng)系統(tǒng)和空氣凈化器的空氣質(zhì)量檢測、廚房的油煙與安全預(yù)警、智慧家居中的VOC檢測等。