气体传感器文献综述

`气体传感器的发展概况和发展方向玛日耶姆·图尔贡107551600545Word文档气体传感器的发展概况和发展方向【摘要】本文对气体传感器进行分类，介绍了半导体型气体传感器、电阻型气体传感器、非电阻型气体传感器等几种常见气体传感器的特性、总结了这些气体传感器的工作原理，并阐述这几种气体传感器在日常生活及特殊场合中的应用及其选用时的原则。

探讨了气体检测仪器在检测对象、检测围和检测方式上向小型化、智能化、多功能化和通用化等方面不断向前发展的方向。

【关键词】气体传感器；特性；应用；发展方向一、前言目前，随着人们环保意识的提高，环境问题日益受到政府和社会关注。

环境问题变成了重要的民生问题，影响到人民生活幸福感，甚至环境问题严重威胁群众健康。

近年来生态环境污染状况日趋严重，各种工业废水，废气直接排入水体及空气，造成极为严重的环境污染。

影响着人们的正常生活和生存发展，并导致环境污染的气体进行处理是十分急迫的问题。

随着科学技术的发展,人们生活水平的提高,对气体传感器的需求已有所不同;同时,随着近年酸雨、温室效应、臭氧层破坏、环境污染等,严重影响了人类的健康和生存,这就给气体传感器提出了新的研究课题和增加了新的研究容和难度。

检测气体的种类由原来的还原性气体(H2、 C4、 H10、 CH4等)扩展到毒性气体(CO、NO2、 H2S、NO、NH3、 PH3等)以及食品有关的气体(鱼、肉鲜度(CH3)3、醋酸乙脂等)[1]。

气体传感器作为气体检测最基础的部分，为了满足这些需求,气体传感器必须具有较高的灵敏度和选择性,重复性和稳定性要好,而且能批量生产,性能价格要高等。

随着人们环保意识的增强以及各国对有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，各种气体传感器正在得到越来越广泛的应用。

目前，随着生命科学、人工智能、材料科学等学科的发展，气体传感器的应用领域越来越广泛，在大气监测、食品工业、汽车尾气快速实时测定、有毒气体检测安全检查和航空航天等方面，越来越多地显示出气体传感器的重要作用[2]。

二、气体传感器的发展概况2.1气体检测仪气体检测仪是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具，主要是指便携式/手持式气体检测仪。

主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。

气体检测的目的是分析各种气体混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量。

气体检测仪表一般由传感器、信号放大、处理单元、显示单元以及控制单元组成，其中传感器是最关键的部分。

2.2传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器按其基本效应可分为：物理传感器，化学传感器，生物传感器。

按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器。

物理传感器传感器生物传感器气体传感器化学传感器离子传感器湿度传感器2.2.1气体传感器气体传感器是整个气体检测系统的核心，一般安装在探头。

探头首先通过气体传感器对气体样品进行处理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥和样品抽吸等过程，然后通过传感器将某种气体体积分数转化成对应电信号，实现相应的功能。

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，气体传感器通常是用来检测气体的类别、浓度和成分。

气体传感器的种类很多，分类方法也各不相同[2]。

国外从30年代开始研究开发气体传感器,至今已经走过了半个多世纪,品种到达了数百种。

过去研究开发的气体传感器主要用于家庭中常用的煤气、液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测和报警,并取得了很大的成绩,基本上满足了市场的需要。

进入90年代,随着科学技术的发展,人们生活水平的提高,对气体传感器的需求已有所不同。

2.2.2气体传感器分类按气体传感器的材料分，可分为半导体型和非半导体型。

应用广泛的气体传感器有：半导体型气体传感器、固体电解质气体传感器、电化学传感器、接触燃烧式气体传感器，光学气体传感器等。

1.半导体型气体传感器自从1962年半导体金属氧化物瓷气体传感器问世以来,半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间快等优点,其产品发展非常迅速,目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。

这种类型的传感器在气体传感器中约占 60％，根据其机理分为电阻型半导体气体传感器和非电阻型半导体气体传感器。

1.1 电阻型半导体气体传感器电阻型半导体气体传感器是将气体浓度的变化转变成电阻值变化的一种传感器。

典型的电阻型半导体气体传感器材料是：SnO2、ZnO、Fe2O3等，因为这些材料存在气敏效应，当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化。

电阻型半导体气体传感器中应用最广泛的是 SnO2气敏元件，其工作原理是：SnO2和空气中电子亲和性大的气体发生反应，形成吸附氧束缚晶体中的电子，使器件处于高阻状态；当它与被测气体接触时，气体与吸附氧发生反应，元件表面电导增加，电阻减小。

电阻型气体传感器具有成本低、制造简单、灵敏度高、响应快、寿命长、对湿度敏感低、电路简单等优点。

但是由于其自身的结构和材料原因，也决定了它的缺陷，当电阻型气体传感器工作于高温下时，选择性较差、元件参数分散、稳定性不理想、功率要求高；当探测气体中混有硫化物时容易中毒。

1.2 非电阻型半导体气体传感器1.2.1 结型气体传感器结型气体传感器又称气敏二极管，是利用气体改变二极管的整流特性。

将金属与半导体结合做成整流二级管，其整流作用来源于金属和半导体功函数的差异，随着功函数因吸附气体而变化，其整流作用也随之变化。

1.2.2 MOSFET 型气体传感器气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值电压U T改变，利用这一原理可以制成 MOSFET 型气敏器件。

氢气敏 MOSFET 是一种最典型的气体传感器，它用金属钯(Pd)制成钯栅。

在含有氢气的气氛中，由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致 MOSFET 的阈值电压U T发生变化。

使用时常将栅漏短接，可以保证 MOSFET 工作在饱和区。

利用这一气敏器件可以测出氢气浓度。

氢气敏 MOSFET 在氢气浓度高时其灵敏度变低，氢气浓度低时灵敏度则升高[2]。

2固体电解质气体传感器这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。

稳定的氧化锆固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的侧定和发动机空燃比成分测量等。

为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上蒸镀一层气体敏膜，把周围环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来[3]。

3接触燃烧式气体传感器接触燃烧式传感器适用于可燃性气体 CO、H2、CH4的检测。

可燃气体接触表面催化剂 Pt、Pd 时燃烧、发热，燃烧热与气体浓度有关。

这种类型的传感器应用面广、体积小、结构简单稳定性好，缺点是选择性差[3]。

4电化学式气体传感器电化学式气体传感器可分为原电池式,定电位电解式、电量式,离子电极式四种类型。

原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度,市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器,近年来,又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。

定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度,和原电池式不同的是,它需要由外界施加特定电压,它除了能检测CO、NO、NO2、O2、SO2等气体外,还能检测血液中的氧浓度。

电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。

离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。

电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高,选择性好。

5.光学气体传感器5.1 直接吸收式光气体传感器红外线气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对 SO2、CO、CO2、NO 等气体具有较高的灵敏度。

另外紫外吸收、非分散紫外吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对 NO、NO2、SO2、CH (CH4)等气体具有较高的灵敏度。

5.2 光反应气体传感器是利用气体反应产生色变引起光强度等光学特性改变，传感元件是理想的，但是气体光感变化受到限制，传感器的自由度小。

5.3 气体光学特性的新传感器光导纤维温度感器为这种类型，在光纤顶端涂敷触媒与气体反应、发热。

顶端温度改变，导致光纤温度改变。

利用光纤测温已达到实用化程度，检测气体也是成功的[3]。

6.气体传感器的应用气体传感器在日常生活和工业生产中应用广泛，可用于有害气体鉴别、报警与控制，烟雾报警器，酒精检测报警器等场合[3]。

6.1 特殊场所可燃气体火灾探测在煤矿、石油、化工等企业，一但发生可燃气体泄露，极易造成大面积火灾并引起爆炸事故，所以在这些场所对煤气、天然气、液化气等可燃性气体进行气体泄露检测，可以做到极早期的预防灾害的发生。

可燃性气体监测的原理是：针对某中具有一定选择性、灵敏度高、响应时间短的气体传感器，将气体传感器安装在生产，储备、使用等车间场所中，及时监测气体含量，如果可燃性气体含量达到预先设定值或气体浓度达到气体最低爆炸浓度界限，通过控制器启动报警装置或开动保护系统，从而达到预防火灾灾害、减小爆炸危险的目的。

6.2气体传感器在国外航天器上的应用气体传感器作为航天器上不可缺少的眼睛和鼻子，主要用于载人舱有害气体成分变化监测、航天器发动机工作期间燃料燃烧情况、航天器关键部位气体或液体的泄漏判断以及深空探测过程中行星大气环境检测等方面［4-14］，为航天器产品质量、安全、宇宙环境探知和宇航员身体健康等提供非常重要的参考数据。

因此国外多个宇航研究机构都在大力支持研究和研发适合航天器上工作的各类气体传感器，并多次在航天器上进行应用。

地面上气体的监测有多种方法，如气相色谱仪、液相色谱仪、各类质谱仪以及各类气体传感设备，相比较于地面设备和仪器，气体传感器因体积小、功耗低、质量轻、灵敏度高，重复性好、成本低等优点［15-17］，所以在航天器上得到广泛应用。

因航天器工作环境的特殊性，对应用在航天器上的各类传感器相比较与地面或传统传感器的技术要求更加严格，如体积更小、功耗更低、质量更轻、灵敏度更高以及可靠性更稳定等。

为了能够满足以上要求，国外对航天器上的各类气体传感器进行了深入研究，研发出一系列的具有创新性的各类气体传感器。

这些气体传感器主要是安装在航天器舱、发动机喷口处以及宇航员随身携带，用于检测航天器材料气体释放、管道泄漏和发动机喷口气体成分变化等［8， 14］，为航天器和宇航员的安全提供了必不可少的保障手段。