氣體傳感器的技術分析及應用”

隨著生活水平的提高和環保意識的加強，人們對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監控以及對食品和人居環境質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、生活中的作用日益凸顯。

8月14日HOPE開放創新平臺推出了“HOPE大家說”，邀請了來自德國的電化學氣體傳感器專家Peter Koller 博士與國內電化學氣體傳感器應用專家李德霞女士，分享了“氣體傳感器的技術分析及應用”，并與海爾各產業線上的優秀創客們，對氣體傳感器在各領域的應用上，進行了深度探討。

氣體傳感器的發展歷程

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

20世紀初第一只半導體傳感器于英國誕生，并一直在歐洲發展和應用，直到20世紀50年代半導體氣體傳感器技術才流傳到日本，并由日本人把這項技術推進到了頂峰。而歐洲人在發現了半導體技術的種種不足后，開始研究其他傳感器。氣體傳感器的理論直到上個世紀70年代才傳入我國，80年代才進入研制階段，整個技術主要繼承于德國。

氣體傳感器的廣泛應用

傳感器是物聯網應用的主干和關鍵要素。傳感器作為通向現實世界的接口，是物聯網中的關鍵“組成部分”，提供與壓力、溫度、位置、角度、時間、電流、電壓等物理參數相對應的電子信號。而氣體傳感器則是傳感器技術領域中重要門類之一，它包括半導體氣體傳感器、固體氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學氣體傳感器、光學氣體傳感器等（如表１），橫跨了功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術、納米技術、有機高分子等眾多基礎和應用學科。

（表１：常用氣體傳感器的原理、應用場景及優缺點）

類型

工作原理

應用場景

優缺點

半導體氣體傳感器

由金屬半導體氧化物或者金屬氧化物材料制成的檢測元件， 與氣體相互作用時產生表面吸附和反應，引起載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化而進行氣體濃度測量的。

工業、家用領域爆炸下限內氣體的半定量、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現多功能傳感(如微型氣敏傳感器)；還可以把多個相同的敏感元件集成在同一芯片上形成傳感器陣列

醫療、汽車電子、運動追蹤系統、手機拍照領域

工藝 未來發展空間巨大

固體氣體傳感器

使用固體電解質氣敏材料做氣敏元件。氣敏材料在通過氣體時產生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。

應用特定場合

選擇性，靈敏度高于半導體；壽命又長于電化學；響應時間過長；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傳感器表面與吸附氧發生劇烈的燃燒反應，放出大量的熱，導致咸濕線圈（一般為鉑金屬）電阻發生變化，通過檢測感濕線圈電阻的變化實現對氣體的檢測。

燃氣泄露監測；煤礦瓦斯；石油化工、加油站防泄漏；可燃起火容積防泄漏監控

有引燃爆炸危險；無法測量過燃點氣體；環境對傳感器影響大；高濃度可燃氣沖擊會造成損壞；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

電化學氣體傳感器

被測氣體擴散或泵入到催化電極（工作電極）表面，并發生氧化或還原反應，由此產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現對氣體的測定。

工業現場微量毒氣定量檢測；環境保護微量毒氣定量檢測；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

光學氣體傳感器

利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應而實現氣體濃度測量的，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。

可燃氣定量檢測;家庭、工業CO2檢測;工業及環保領域可燃氣、硫化物、氮氧化物定量檢測

有一定的非線性；根據工作場合需經常校準；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物氣體電離，再將帶電離子在極板上形成的電流放大進行測量，電流的大小就反應了氣體濃度的大小

為工作人員提供實時的信息反饋，確認他們處于沒有暴露于危險化學品之中的安全狀態，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；受環境干擾因素較??；有一定的非線性；需經常校準；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來進行測量

石油化工、冶金工業、工礦開采、大氣污染檢測、農業、醫療衛生等領域

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

固態聚合物傳感器——開創行業新技術革命

在電化學傳感器的發展過程中，曾經出現過水液體電解質電化學傳感器、有機溶劑電解質電化學傳感器和離子液體電解質電化學傳感器等類型。其中，水液體電解質電化學傳感器的電解液易蒸發，傳感器的壽命較短;有機溶劑電解質電化學傳感器的電解質易燃，反應體系復雜;離子液體電解質電化學傳感器容易出現漏液、腐蝕電極等問題。為了徹底解決以上問題，人們將研究的重點放在了固體電解質的開發上，并研發出了固態聚合物氣體傳感器。

人們通過在聚合物中引入離子液體，開發出了固體聚合物電解質電化學傳感器。這種傳感器具有離子液體和聚合物二者的優點，一是該電解質具有固體電解質的性質，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電性能。

固態聚合物電化學傳感技術是檢測領域的一次革命性創新，該技術依據電化學氣體檢測原理，測量可以化學分解的各種氣體，消除了常規電化學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、結構緊湊、使用方便等優點。

（表2：固態聚合物氣體傳感器的優點）

1

無功耗

固態聚合物氣體傳感器電化學原理

2

體積小

目前最小體積 8mm*8mm*1mm

3

壽命長

傳感器壽命可達5-10年

4

高精度，高分率

精度：1%

分辨率：0.01ppm

5

穩定性好

<2ppm

6

免維護

無需后期維護，傳感器自檢校正

7

智能化

可實現智能化處理，識別幾百種有毒有害氣體并對所測氣體進行各項參數修正與匹配，最終給出精確數值

8

響應時間短

30秒內快速響應

9

一致性好

可達到95%以上

10

低成本

核心部件全機械自動化生產、批量化工業生產

固態聚合物傳感器的兩大應用

電子鼻：一般包括一組交叉敏感的電化學傳感器陣列、適當的模式識別方法，來自動檢測和辨別簡單的、或復雜的氣味。和傳統的氣體分析技術如氣相色譜法（Gas Chromatography,GC)、質譜法（Mass Spectroscopy,MS)、火焰離子化檢測（Flame Ionization Detection,FID）等相比，具有響應速度快、易于使用、價格低廉等優點，因此在食品、環境監控、醫學、農業、生物及安全等各領域得到了廣泛的應用。

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，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相結合的產物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優點：1、通過軟件技術可實現高精度的信息采集。2、成本低具有一定的編程自動化能力。3、功能多樣化。

固態聚合物傳感器的未來與發展

固態聚合物傳感器現已在家電、家居領域得到了初步應用：凈化甲醛、燃氣熱水器的CO預警、新風系統和空氣凈化器的空氣質量檢測、廚房的油煙與安全預警、智慧家居中的VOC檢測等。

在聽取了“氣體傳感器的技術分析及應用”講座之后，到場的創客們與國內外專家就固態聚合物傳感器在不同領域應用的可行性上進行了深入探討。

固態聚合物傳感器未來將向著小型化、高度集成化和智能化發展，力爭做到更加準確、更快響應、更低成本、更好選擇、更大產量。它的發展必將為提高人們生活中的環保系數和智能化水平提供有力的技術支撐。