氣體傳感器 亟待在實用化上取得突破

金鵬飛 張洪泉

傳感器的概念對于公眾而言不一定熟悉，但是用于日常防疫工作的紅外測溫儀、檢查酒駕醉駕的呼吸式酒精檢測儀家用燃氣泄露報警器都是常見的電子測量儀器，在人們?nèi)粘５纳钪邪l(fā)揮著重要的作用，其核心器件就是傳感器。

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，氣體傳感器一般用來測量環(huán)境中某種氣體或者有機揮發(fā)物的濃度，主要用于氣體的含氧量監(jiān)測、易燃易爆氣體和有毒有害氣體的泄露檢測等安全監(jiān)管領(lǐng)域，在環(huán)保監(jiān)測石油化工生產(chǎn)安全監(jiān)管、煤礦瓦斯監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有重要意義。

傳感器是重要的信息獲取裝置

按照測量對象測量原理和傳感器的敏感材料劃分，氣體傳感器有很多種類，

具體來說，氣體傳感器的測量對象有氧氣、易燃易爆氣體（氫氣、甲烷、乙炔等）、有毒有害氣體（一氧化碳、氨氣、二氧化氮等）和有機揮發(fā)物（酒精、丙酮等）。

按照測量原理劃分，常見的氣體傳感器有電阻型、催化燃燒型、電化學(xué)型光學(xué)型熱導(dǎo)型等。

常見的氣體傳感器敏感材料有金屬氧化物半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物、催化劑材料、固體電解質(zhì)和雜化材料等。金屬氧化物半導(dǎo)體型傳感器具有廣譜性除了少數(shù)幾種氣體以外，對絕大多數(shù)氣體都有響應(yīng)，但其穩(wěn)定性和選擇性有待提高。催化燃燒型傳感器主要用于氫氣甲烷等可燃性氣體的檢測，檢測濃度相對比較高。固體電解質(zhì)傳感器主要用來測量氧氣、氮氧化物等，主要用于汽車尾氣排放監(jiān)測。光學(xué)型傳感器只對吸收特征光的氣體有響應(yīng)，測量范圍寬，但容易受到濕度灰塵干擾。熱導(dǎo)型氣體傳感器只能用于定量測試，也就是對成分已知的環(huán)境中的氣體含量進行檢測。傳感器是重要的信息獲取裝置，與信息傳輸技術(shù)（通信技術(shù)和信息處理技術(shù)）、計算機技術(shù)并列信息技術(shù)三個主要組成部分。隨著物聯(lián)網(wǎng)興起，傳感器的作用日益受到重視。

物聯(lián)網(wǎng)是通過感知設(shè)備、按照約定協(xié)議，連接物、人、系統(tǒng)和信息資源，對物理和虛擬世界的信息進行處理并作出反應(yīng)的智能服務(wù)系統(tǒng)。其中的感知設(shè)備主要是傳感器，成本適當、準確高效地獲取信息是信息系統(tǒng)首先要解決的問題。這就要求傳感器的性能進一步提升，同時要有相應(yīng)的信號接口，因為一般氣體傳感器的輸出量都是模擬量，要通過相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換并符合一定的接口協(xié)議，才能與物聯(lián)網(wǎng)適配。一一般需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊或者將氣體傳感器、調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路集成到一個單片系統(tǒng)，上，這就涉及不同材料的微納加工工藝的兼容問題。另外，對于智能移動終端來講，氣體傳感器的功耗尺時不能過大，而且成本能夠使消費者接受。

微型化、新材料、智能化成重要方向

氣體傳感器的核心指標為3S和2R，即靈敏度（sensitivi-ty）、選擇性（selectivity）和穩(wěn)定性（stability），響應(yīng)特性（re-sponse）和恢復(fù)特性（recovery）。更高的靈敏度意味著更低的檢測限，可以降低預(yù)警的濃度范圍，提高安全性。高選擇性可以避免或降低非目標氣體的干擾，減低誤報率。響應(yīng)特性和恢復(fù)特性決定了傳感器的檢測速度。目前氣體傳感器在應(yīng)用中最大的問題是穩(wěn)定性不能滿足需要，這是由于氣體傳感器的檢測過程一般都涉及化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境氣氛會對材料的表面以及微觀結(jié)構(gòu)造成慢性影響，使傳感器性能的穩(wěn)定性和壽命不能滿足實際需求。

目前氣體傳感器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在三個方面，一是微型化。利用硅基微加工技術(shù)或者多層陶瓷共燒結(jié)技術(shù)，采用厚膜薄膜混合電子技術(shù)，將傳感器微型化，實現(xiàn)批量化制造，提高一致性和互換性，使其體積和功耗顯著降低，能夠應(yīng)用于對低能耗和小有較高要求的領(lǐng)域。二是新材料的應(yīng)用，氣體傳感器的關(guān)鍵是氣體敏感材料，敏感材料決定了傳感器的各項性能，特別是選擇性和穩(wěn)定性。納米材料、分級材料、雜化材料、新型碳材料（碳納米管、石墨烯和石墨炔等）以及新型二維材料、金屬有機框架化合物的應(yīng)用，對于提高氣體傳感器的性能，拓寬氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域有潛在的意義。三是智能化，單立傳感器器件存在的問題可能短時間內(nèi)無法解決，可以采用算法進行補償提升，將多個相同或者不同類型氣體傳感器組成傳感器陣列，對其信號進行加工處理，采用先進的算法，獲得更多有價值的信息，提高測量儀器的性能。

可行性和實用性亟待突破

第一支實用化的二氧化錫傳感器由日本費加羅公司于1968年投人市場，至今已經(jīng)發(fā)展了50多年。我國自上世紀80年代起通過基礎(chǔ)研究和技術(shù)引進，形成了一定的研發(fā)生產(chǎn)能力和人才隊伍，但是在市場化方面和先進國家仍有一定差距，主要體現(xiàn)在敏感材料的制備、器件制造自動化和產(chǎn)品性能上。

目前傳感器技術(shù)特別是氣體傳感器技術(shù)的發(fā)展遠遠滯后于通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，這是因為傳感器的種類多，每種傳感器的市場規(guī)模相對較小，屬于特種元器件，發(fā)展難免受限。因此，歐美、日本以及我國都對傳感器技術(shù)研發(fā)給予重點支持。

氣體傳感器看似不起眼，但涉及物理、，化學(xué)、生物、材料、電子和信息等多個學(xué)科。一個氣體傳感器產(chǎn)品從原理樣機到中試，再到批量化市場推廣，需要一個循序漸進的過程，每個過程都需要寬廣深厚的基礎(chǔ)。建議由高等院校和基礎(chǔ)性研究機構(gòu)進行原理樣機的開發(fā)，解決材料和器件制造中的科學(xué)問題，解決實際應(yīng)用過程中可能遇到的難題，判斷產(chǎn)品推廣的可行性。而企業(yè)聚焦中試和批量化，使批量生產(chǎn)規(guī)?；?、標準化，降低生產(chǎn)成本，形成產(chǎn)業(yè)鏈，提升產(chǎn)品的實用性。在研發(fā)過程中，要重視和尊重科研人員、創(chuàng)業(yè)家、企業(yè)家、工程師和技術(shù)人員，重視每一位人才，將科技強國和工匠精神落到實處。同時，要嚴格保護知識產(chǎn)權(quán)，形成產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的良好生態(tài)。