氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)及機(jī)遇

  傳感器的概念對(duì)于公眾而言不一定熟悉，但是用于日常防疫工作的紅外測(cè)溫儀、檢查酒駕醉駕的呼吸式酒精檢測(cè)儀、家用燃?xì)庑孤秷?bào)警器都是常見(jiàn)的電子測(cè)量?jī)x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(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(lái)測(cè)量環(huán)境中某種氣體或者有機(jī)揮發(fā)物的濃度，主要用于氣體的含氧量監(jiān)測(cè)、易燃易爆氣體和有毒有害氣體的泄露檢測(cè)等安全監(jiān)管領(lǐng)域，在環(huán)保監(jiān)測(cè)、石油化工生產(chǎn)安全監(jiān)管、煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)、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(cè)量對(duì)象、測(cè)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(lái)說(shuō)，氣體傳感器的測(cè)量對(duì)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(jī)揮發(fā)物(酒精、丙酮等)。

　　按照測(cè)量原理劃分，常見(jiàn)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(jiàn)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(duì)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(cè)，檢測(cè)濃度相對(duì)比較高。

　　固體電解質(zhì)傳感器主要用來(lái)測(cè)量氧氣、氮氧化物等，主要用于汽車(chē)尾氣排放監(jiān)測(cè)。

　　光學(xué)型傳感器只對(duì)吸收特征光的氣體有響應(yīng)，測(cè)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(cè)試，也就是對(duì)成分已知的環(huán)境中的氣體含量進(jìn)行檢測(cè)。

　　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(jì)算機(jī)技術(shù)并列信息技術(shù)三個(gè)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(guò)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(duì)物理和虛擬世界的信息進(jìn)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(dāng)、準(zhǔn)確高效地獲取信息是信息系統(tǒng)首先要解決的問(wèn)題。這就要求傳感器的性能進(jìn)一步提升，同時(shí)要有相應(yīng)的信號(hào)接口，因?yàn)橐话銡怏w傳感器的輸出量都是模擬量，要通過(guò)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(gè)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(wèn)題。

　　另外，對(duì)于智能移動(dòng)終端來(lái)講，氣體傳感器的功耗、尺寸不能過(guò)大，而且成本能夠使消費(fèi)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(biāo)為3S和2R,即靈敏度(sensitivity)、選擇性(selectivity)和穩(wěn)定性(stability)，響應(yīng)特性(response)和恢復(fù)特性(recovery)。

　　更高的靈敏度意味著更低的檢測(cè)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(biāo)氣體的干擾，減低誤報(bào)率。響應(yīng)特性和恢復(fù)特性決定了傳感器的檢測(cè)速度。目前氣體傳感器在應(yīng)用中最大的問(wèn)題是穩(wěn)定性不能滿足需要，這是由于氣體傳感器的檢測(cè)過(guò)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(huì)對(duì)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(shí)際需求。

　　目前氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)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(shí)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(duì)低能耗和小尺寸有較高要求的領(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(xiàng)性能，特別是選擇性和穩(wěn)定性。納米材料、分級(jí)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(jī)框架化合物的應(yīng)用，對(duì)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(wèn)題可能短時(shí)間內(nèi)無(wú)法解決，可以采用算法進(jìn)行補(bǔ)償提升，將多個(gè)相同或者不同類型氣體傳感器組成傳感器陣列，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行加工處理，采用先進(jìn)的算法，獲得更多有價(jià)值的信息，提高測(cè)量?jī)x器的性能。

　　可行性和實(shí)用性亟待突破

　　第一支實(shí)用化的二氧化錫傳感器由日本費(fèi)加羅公司于1968年投入市場(chǎng)，至今已經(jīng)發(fā)展了50多年。我國(guó)自上世紀(jì)80年代起通過(guò)基礎(chǔ)研究和技術(shù)引進(jìn)，形成了一定的研發(fā)生產(chǎn)能力和人才隊(duì)伍，但是在市場(chǎng)化方面和先進(jìn)國(guó)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(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這是因?yàn)閭鞲衅鞯姆N類多，每種傳感器的市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)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(guó)都對(duì)傳感器技術(shù)研發(fā)給予重點(diǎn)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(gè)學(xué)科。一個(gè)氣體傳感器產(chǎn)品從原理樣機(jī)到中試，再到批量化市場(chǎng)推廣，需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，每個(gè)過(guò)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(jī)構(gòu)進(jìn)行原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)，解決材料和器件制造中的科學(xué)問(wèn)題，解決實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(biāo)準(zhǔn)化，降低生產(chǎn)成本，形成產(chǎn)業(yè)鏈，提升產(chǎn)品的實(shí)用性。

　　在研發(fā)過(guò)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(qiáng)國(guó)和工匠精神落到實(shí)處。同時(shí)，要嚴(yán)格保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，形成產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的良好生態(tài)。