摘 要 通过对气体传感器原理和发展历程的研究和归纳，对电化学型、光学型及电学型气体传感器的原理、发展、特点以及适用范围进行了阐述。文章针对国际上目前气体传感器的发展趋势进行了详细的分析，归纳了气体传感器新原理、新材料及优化结构这三个方面的发展方向，并对应用MEMS技术研制气体传感器提出了展望。
关键词 气体传感器；气敏元件；发展趋势
中图分类号：TP212.11 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
二十世纪六十年代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，而后八十年代年英国Persaud等人提出了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是气体传感器的雏形。
如今气体传感器持续发展，在环境检测和安防领域都有了广泛的应用。随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用，国内外科研人员开始深入研究可燃气体的检测方法和控制方法，并产生了多种用于气体检测与分析的传感器、仪器仪表等，并大量应用于生产生活中的气体检测与成分分析中。
1 气体传感器概述
气体传感器是气体分析与检测系统的重要组成部分。气体传感器可简述为感知气体并确定其浓度的器件，该器件能够把气体的成分和气体的浓度等信息由非电量转换为电量，从而实现气体的测量。
考量气体传感器的主要指标有以下几个方面。
1.1 稳定性
气体传感器的稳定性是指在整个工作时间内其由被测气体所产生的响应的稳定性，它与零点漂移和区间漂移密切相关。这里的零点漂移是指在被测气体中不含油目标气体的情况下，在规定的时间内气体传感器输出的信号波动；而区间漂移则指在被测气体始终存在的情况下传感器的输出信号波动。理想情况下，气体传感器每年的零点漂移不大于10%
1.2 灵敏度
气体传感器的灵敏度通常是指其输出变化量与被测输入变化量的比值，该指标取决于传感器原理及其内部结构。
这里要提到一种交叉灵敏度，它是测量在干扰气体被引入时，传感器的信号输出变化，这种灵敏度也被称为选择性。这项指标对于多种气体环境下的气体测量是一项重要指标，交叉灵敏度会降低气体检测的可靠性。
1.3 抗腐蚀性
抗腐蚀性主要描述的是气体传感器在高体积分数的待测气体中长期曝露或是在某一气体组分骤然增加时，传感器能够承受的预期的气体体积分数，同时，在回归到常规工况后，传感器能仍然回归到零点附近一定范围值。
以上的传感器指标，基本依赖传感器自身材料的选择和制造工艺来保障。
2 气体传感器分类及其原理
气体传感器主要有电阻和非电阻型半导体式、绝缘体式、电化学式、红外式、石英振荡式、光纤式、声表面波以及气相色谱原理的气体传感器。气体传感器分类方式较多，本文将气体传感器从原理上分为三大类，分别是电化学型、电学型和光学型。
2.1 电化学型
电化学型气体传感器利用了电化学性质的气体传感器，这种气体传感器是生产生活中较为常见的气体感知元件，其中较为常见的是电化学型一氧化碳传感器，其工作原理可表征多数电化学气体传感器，即：通过恒定电位作电化学性氧化还原这一方式，使得气体浓度数据可被电学方法检出。电化学型气体传感器有工作电极与对电极组成，两组电极构成一个电极对，工作时发生放电的电化学反应，工作电极与对电极之间就会产生微弱电流。在其他参数固定的情况下，这个微弱电流值与气体浓度成正比。
电化学方法可以检出含氧元素的气体，如氧气、一氧化碳、二氧化硫等，并被制备成其他形式的传感器、检测器以及各类仪器，如火灾报警器、医学血氧量传感器等。
电化学类气体传感器检测气体时选择性好，灵敏度高，成本较低，这是它的主要优势。而其存在的主要局限有两点，一是在电化学原理致使这种传感器对干扰气体的响应仍然存在，一定程度上造成检测的偏差，所以在实际应用中必须针对传感器所处环境的其他干扰气体进行详细的考虑并进行抗干扰设计；二是这种气体传感器的寿命较短，并不是指校正周期，而是在两年左右旧的传感器探头需要被直接由新制备的传感器探头替换。
2.2 电学型
电学型气体传感器的主要原理是利用了材料的电学特征与气体浓度存在一定关系，这种关系可以直接通过电学方法检出。
电学型气体传感器从大范围上可分为电阻型和非电阻型。其中，电阻型气体传感器包括接触燃烧型、热导型和半导体型气体传感器；非电阻型主要是指利用电流或电压与某种气体浓度存在比例关系的类型，可分为MOS型、场效应管型以及结型二极管型气体传感器。
接触燃烧型电阻气体传感器的测量对象通常为可燃性气体，这些气体在气敏元件的表面进行氧化反应，反应使得元件热量增加，产生电阻阻值变化，通过测量阻值变化即可检出不同浓度的气体。传感器工作温度在400℃左右，待检气体中含有可燃性成分时，由催化剂致使燃烧可在工作温度下发生，此时传感器电阻值增加，因此测量电阻即可实现环境中可燃气体浓度的检测。这种传感器的主要优势是不容易被外界温度影响，其稳定性较高，同时由于电阻值与气体浓度之间的关系几乎呈线性，因此其测量效果好，数据处理方面也不必做太多工作。而接触燃烧型气敏元件的寿命在1年左右，不仅如此，传感器内的催化剂可能会和其他气体发生化学反应使得催化剂失效，因此传感器稳定性也较差。
热导型气敏元件也是用来测量可燃气体的。由于不同的可燃气体，其导热系数与空气存在一定的差异，热导型气敏元件通过电路把导热系数非电量转化为电量来测量，通常是转化为电阻。热导型气体传感器需要气室、热敏电阻和加温器等组成部分，待检气体进入气室后，加温器将热敏电阻加热到某一特定温度，待测气体的热导系数高时，热量在热敏元件上被带走，热敏电阻阻值变小，通过检测电阻来测量气体浓度。
半导体型气体传感器也是一种测量可燃气体的传感器，它的原理是利用半导体材料的表面对气体分子的吸附和脱离作用使得其电导率发生改变这一性质来实现气体检测的。这种传感器应用较为广泛，由于其敏感元件灵敏度、响应速度以及可靠性能方面的指标相比其他气敏元件更优，被作为可燃气体检测的主流传感器。
电阻型半导体气体传感器利用电阻阻值与气体浓度的关系实现气体的检测；非电阻型半导体气敏元件则利用其他电学量，如电流、电压与气体浓度的关系实现气体的检测。半导体气体传感器具有灵敏度高、寿命长、成本低等优点。目前在全世界范围产量巨大，2011年度已经超过了200亿美元。半导体型气体传感器存在的主要问题有三点：一是其对气体的选择性较差，因此被干扰和错误报警的情况较为常见；二是其输出呈非线性，因此想提高精度并不容易，标定也存在一定困难；三是其长时间放置会发生氧化反应，从而使传感器自动休眠，导致传感器再次遇到被测气体时没有信号输出。
2.3 光学型
光学型气体传感器主要利用了气体的光学特性，主要有直接吸收式和光反应式两种。
红外线原理的气体传感器是最为常见的光吸收式气体传感器，这种传感器利用气体的特征红外吸收光谱来确定气体的组分和浓度，由于不同气体的特征红外吸收光谱存在差异性，且同一气体不同浓度下红外吸光度将随气体浓度的增加而成正比的上升。不同种类的气体具有其各不相同的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对硫化和碳化气体具有较高的灵敏度。另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对氮、硫化气体和烃类气体具有较高的灵敏度。红外气体传感器较为典型的应用就是七十年代早期的多组分红外线气体检测器，该设备的广泛使用使得光学原理的气体检测在当时备受重视，从而促进了气体传感器的发展。
光离子化法是一种化学分析方法，到今天已经有六十多年的历史。在20世纪五十年代就出现了这种仪器研制成功的相关报道。我国中科院也在20世纪末完成了我国第一台光离子化气体传感器。光离子化传感器由紫外灯和离子室组成，由紫外灯作为光源，透过氟化锂窗作用到被测气体上，此时被测气体在离子室，气体在离子室由于光的作用变为蒸气态，分子吸收光子能量，实现了光离子化作用。光离子化作用发生时产生能量流动（即离子流），该离子流与被测气体的浓度呈线性关系。
光离子化气体传感器种，紫外灯光源在使用过程中对清洁度有较高要求，因此该仪器不适合作为长期在线监测使用。
光离子化气体传感器目前主要应用在微量有机化合物的分析工作中，其中多数应用于有毒有害气体的检测。美国一些化学分析仪器制造公司研制了多款数显光离子化检测器来测量空气中苯系物的浓度，而我国目前只有中国电子科技集团49所拥有有自主知识产权的光离子化气体检测器，相比发达国家其发展速度仍较为缓慢。
3 气体传感器发展趋势
3.1 气敏材料
气敏材料的研究进展对气体传感器发展影响非常大，可以说，气敏材料的研究成果是气体传感器技术进步的基石。近年来，对于新型的气敏材料研究很多，其中，对半导体、陶瓷以及高分子材料的研究颇多。尤其在半导体气敏材料研究方面，各国在大量研究金属氧化物的同时，对一些复合金属氧化物以及混合金属氧化物也进行了大量的研究，取得了一定的进展。
对半导体气敏元件的研究及其主要技术指标的优化，可通过在材料中加入可优化气体传感器灵敏度和响应时间参数的元素来实现，也称为掺杂工艺；同时，还尝试多种催化剂以提高气敏元件的交叉灵敏度；工艺水平的提高也为气体传感器的灵敏度、选择性、稳定性等指标提供了可提升的空间。
目前，应用了催化技术实现的CH4传感器以及半导体PN型气体传感器，很大程度上提高了传感器的各项技术指标。值得一提的是，目前压电晶体和光纤材料已经成为了加工气体传感器的常用材质。
3.2 气体传感器结构及其智能化
气体传感器在结构方面，借助于半导体技术的发展，其传感器结构逐渐由单元件、单一功能发展到了多元件、多功能，例如实现了多个传感器与信号采集与处理电路的整合，使其以小体积芯片的形式封装；同时随着计算机技术的发展，智能气体传感器例如机器嗅觉系统，可完整的实现从识别气体种类、浓度乃至循迹、循源等功能。
机器嗅觉技术结合了传感器技术、数字信号和模拟信号处理技术以及计算机技术，通常机器嗅觉是通过多个气体检测单元有机结合来实现的，能够有效检测气体组分。机器嗅觉技术在二十世纪六十年代年被首次提出，到八十年代美国率先将多个气体传感器组成形成阵列，成功地测量出气体种类和组成，由此开始了机器嗅觉领域的篇章，使得这种综合性气体传感器迅速在多个领域展开应用。
到今天为止，美国、德国、英国等发达国都已经拥有自主研发的机器嗅觉产品，其中，美国IST公司生产的多参数气体检测装置目前已经达到了仅用一台机器即可检出近百种的气体成分的能力。而目前从可获得的资料来看，我国机器嗅觉技术仍处于试验期。
3.3 新型传感器工艺
近年来基于微电子和微机械的快速发展，MEMS技术也取得了较多的研究成果，而对于新型微结构气体传感器的研究虽然有但并不深入，目前主的研究主要针对硅基微结构气体传感器展开。
硅基微结构气体传感器的衬底是硅而敏感层则为非硅材料，主要有金属氧化物半导体、固体电解质型、电容型、谐振器型。MEMS技术将传感器与集成电路结合起来，使其具有体积小、重量轻、结构可靠、准确度高、互换性好和低功耗等优势，尤其是其生产可以完全自动化实现，大大提高了生产效率并降低了制作成本。MEMS是传感器工艺的发展方向，大多数的传感器都能够通过MEMS技术来实现。而近年来纳米技术的发展与MEMS技术同样带给气体传感器更理想的技术支持，给气体传感器更广阔的发展空间，是气体传感器技术革命的重要支撑。
4 结束语
随着环境检测与安全领域对气体检测与分析要求的不断提高，气体传感器也随之不断发展。近年来，随着测试测量技术的发展及传感器智能化技术的发展，基于电化学、电学与光学原理的气体传感器在其自身原理的基础上取得了一定的发展，但是从根本上来讲，推进气体传感器发展的核心还是取决于新材料、新结构和新工艺的发展，如今MEMS技术的发展推进了气体传感器的飞跃发展，相信不久的将来，伴随其他高新技术的发展，气体传感器的发展也将谱写新的篇章。
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作者简介
井云鹏（1979-），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，研究方向：传感器设计与市场推广。