氣體傳感器的發(fā)展趨勢及機遇

  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，在人們日常的生活中發(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)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。

　　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)學診斷等領域具有重要意義。

　　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、電化學型、光學型、熱導型等。常見的氣體傳感器敏感材料有金屬氧化物半導體、導電聚合物、催化劑材料、固體電解質和雜化材料等。

　　金屬氧化物半導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，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。

　　光學型傳感器只對吸收特征光的氣體有響應，測量范圍寬，但容易受到濕度、灰塵干擾。

　　熱導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(通信技術和信息處理技術)、計算機技術并列信息技術三個主要組成部分。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的智能服務系統(tǒng)。其中的感知設備主要是傳感器，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，要通過相應的模數(shù)轉換并符合一定的接口協(xié)議，才能與物聯(lián)網(wǎng)適配。一般需要增加模數(shù)轉化模塊或者將氣體傳感器、調理電路和模數(shù)轉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、尺寸不能過大，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(sensitivity)、選擇性(selectivity)和穩(wěn)定性(stability)，響應特性(response)和恢復特性(recovery)。

　　更高的靈敏度意味著更低的檢測限，可以降低預警的濃度范圍，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。響應特性和恢復特性決定了傳感器的檢測速度。目前氣體傳感器在應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反應，化學反應和環(huán)境氣氛會對材料的表面以及微觀結構造成慢性影響，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或者多層陶瓷共燒結技術，采用厚膜薄膜混合電子技術，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，能夠應用于對低能耗和小尺寸有較高要求的領域。

　　二是新材料的應用。氣體傳感器的關鍵是氣體敏感材料，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用，對于提高氣體傳感器的性能，拓寬氣體傳感器的應用領域有潛在的意義。

　　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年投入市場，至今已經(jīng)發(fā)展了50多年。我國自上世紀80年代起通過基礎研究和技術引進，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。

　　目前傳感器技術特別是氣體傳感器技術的發(fā)展遠遠滯后于通信技術和計算機技術的發(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、生物、材料、電子和信息等多個學科。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。

　　建議由高等院校和基礎性研究機構進行原理樣機的開發(fā)，解決材料和器件制造中的科學問題，解決實際應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)模化、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，形成產(chǎn)學研結合的良好生態(tài)。