气体传感器的技术分析及应用”

随着生活水平的提高和环保意识的加强，人们对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监控以及对食品和人居环境质量的检测都提了更高的要求，作为感官或信号输入部分之一的气体传感器在生产、生活中的作用日益凸显。

8月14日HOPE开放创新平台推出了“HOPE大家说”，邀请了来自德国的电化学气体传感器专家Peter Koller 博士与国内电化学气体传感器应用专家李德霞女士，分享了“气体传感器的技术分析及应用”，并与海尔各产业线上的优秀创客们，对气体传感器在各领域的应用上，进行了深度探讨。

气体传感器的发展历程

20世纪60年代Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧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等人利用气体检测器模拟生物嗅觉，研发出了气体传感器的雏形。

20世纪初第一只半导体传感器于英国诞生，并一直在欧洲发展和应用，直到20世纪50年代半导体气体传感器技术才流传到日本，并由日本人把这项技术推进到了顶峰。而欧洲人在发现了半导体技术的种种不足后，开始研究其他传感器。气体传感器的理论直到上个世纪70年代才传入我国，80年代才进入研制阶段，整个技术主要继承于德国。

气体传感器的广泛应用

传感器是物联网应用的主干和关键要素。传感器作为通向现实世界的接口，是物联网中的关键“组成部分”，提供与压力、温度、位置、角度、时间、电流、电压等物理参数相对应的电子信号。而气体传感器则是传感器技术领域中重要门类之一，它包括半导体气体传感器、固体气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器等（如表１），横跨了功能材料、电子陶瓷、光电子元器件、MEMS技术、纳米技术、有机高分子等众多基础和应用学科。

（表１：常用气体传感器的原理、应用场景及优缺点）

类型

工作原理 

应用场景

优缺点

半导体气体传感器

由金属半导体氧化物或者金属氧化物材料制成的检测元件， 与气体相互作用时产生表面吸附和反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。

工业、家用领域爆炸下限内气体的半定量、定性检测

对常见污染物检测线性范围相对较窄；受背景气体干扰较大；易受环境温度影响等；功耗高

MEMS传感器

把不同的敏感元件集成在同一芯片上实现多功能传感(如微型气敏传感器)；还可以把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上形成传感器阵列

医疗、汽车电子、运动追踪系统、手机拍照领域

工艺 未来发展空间巨大

固体气体传感器

使用固体电解质气敏材料做气敏元件。气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。

应用特定场合

选择性，灵敏度高于半导体；寿命又长于电化学；响应时间过长；功耗较大；成本高；高功耗

催化燃烧气体传感器

在一定的条件下（300℃~400℃）被测可燃性气体到达传感器表面与吸附氧发生剧烈的燃烧反应，放出大量的热，导致咸湿线圈（一般为铂金属）电阻发生变化，通过检测感湿线圈电阻的变化实现对气体的检测。

燃气泄露监测；煤矿瓦斯；石油化工、加油站防泄漏；可燃起火容积防泄漏监控

有引燃爆炸危险；无法测量过燃点气体；环境对传感器影响大；高浓度可燃气冲击会造成损坏；容易被特定化合物中毒；容易被卤代氢和硫化氢抑制；高功耗

电化学气体传感器

被测气体扩散或泵入到催化电极（工作电极）表面，并发生氧化或还原反应，由此产生的电流与被测气体的深度成正大；通过检测电流的大小即可实现对气体的测定。

工业现场微量毒气定量检测；环境保护微量毒气定量检测；特殊场合氧气含量检测；家用毒性气体定量检测

检测中消耗的主要是被检测气体；传感器无法在干燥无氧的空气中工作没有功耗

光学气体传感器

利用被测气体的红外吸收光谱特征或热效应而实现气体浓度测量的，常用光谱范围1～25μm，常用的类型有DIR色散红外线式和NDIR非色散红外线式。

可燃气定量检测;家庭、工业CO2检测;工业及环保领域可燃气、硫化物、氮氧化物定量检测

有一定的非线性；根据工作场合需经常校准；寿命较短；功耗高

PID气体传感器

利用高能量的紫外光线将有机物气体电离，再将带电离子在极板上形成的电流放大进行测量，电流的大小就反应了气体浓度的大小

为工作人员提供实时的信息反馈，确认他们处于没有暴露于危险化学品之中的安全状态，确保工作人员的安全

能检测到PPB级；可靠性高；不依赖于氧气；受环境干扰因素较小；有一定的非线性；需经常校准；成本高；寿命短；功耗大

红外线气体传感器

利用红外线的物理性质来进行测量

石油化工、冶金工业、工矿开采、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域

精度高，可靠性高，不依赖于氧气，受环境干扰因素较小，寿命长；技术壁垒高，制造成本高，功耗大

固态聚合物传感器——开创行业新技术革命

在电化学传感器的发展过程中，曾经出现过水液体电解质电化学传感器、有机溶剂电解质电化学传感器和离子液体电解质电化学传感器等类型。其中，水液体电解质电化学传感器的电解液易蒸发，传感器的寿命较短;有机溶剂电解质电化学传感器的电解质易燃，反应体系复杂;离子液体电解质电化学传感器容易出现漏液、腐蚀电极等问题。为了彻底解决以上问题，人们将研究的重点放在了固体电解质的开发上，并研发出了固态聚合物气体传感器。

人们通过在聚合物中引入离子液体，开发出了固体聚合物电解质电化学传感器。这种传感器具有离子液体和聚合物二者的优点，一是该电解质具有固体电解质的性质，消除了离子液体密封困难的问题; 二是在聚合物中引入离子，提高了聚合物的离子导电性能。

固态聚合物电化学传感技术是检测领域的一次革命性创新，该技术依据电化学气体检测原理，测量可以化学分解的各种气体，消除了常规电化学传感器中因电解液渗漏或干涸对器件性能的影响，而且具有体积小、结构紧凑、使用方便等优点。

（表2：固态聚合物气体传感器的优点）

1

无功耗

固态聚合物气体传感器电化学原理

2

体积小

目前最小体积 8mm*8mm*1mm

3

寿命长

传感器寿命可达5-10年

4

高精度，高分率

精度：1%

分辨率：0.01ppm

5

稳定性好

<2ppm

6

免维护

无需后期维护，传感器自检校正

7

智能化

可实现智能化处理，识别几百种有毒有害气体并对所测气体进行各项参数修正与匹配，最终给出精确数值

8

响应时间短

30秒内快速响应

9

一致性好

可达到95%以上

10

低成本

核心部件全机械自动化生产、批量化工业生产

固态聚合物传感器的两大应用

电子鼻：一般包括一组交叉敏感的电化学传感器阵列、适当的模式识别方法，来自动检测和辨别简单的、或复杂的气味。和传统的气体分析技术如气相色谱法（Gas Chromatography,GC)、质谱法（Mass Spectroscopy,MS)、火焰离子化检测（Flame Ionization Detection,FID）等相比，具有响应速度快、易于使用、价格低廉等优点，因此在食品、环境监控、医学、农业、生物及安全等各领域得到了广泛的应用。

智能传感器（intelligent sensor）：是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：1、通过软件技术可实现高精度的信息采集。2、成本低具有一定的编程自动化能力。3、功能多样化。

固态聚合物传感器的未来与发展

固态聚合物传感器现已在家电、家居领域得到了初步应用：净化甲醛、燃气热水器的CO预警、新风系统和空气净化器的空气质量检测、厨房的油烟与安全预警、智慧家居中的VOC检测等。

在听取了“气体传感器的技术分析及应用”讲座之后，到场的创客们与国内外专家就固态聚合物传感器在不同领域应用的可行性上进行了深入探讨。

固态聚合物传感器未来将向着小型化、高度集成化和智能化发展，力争做到更加准确、更快响应、更低成本、更好选择、更大产量。它的发展必将为提高人们生活中的环保系数和智能化水平提供有力的技术支撑。