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气体传感器技术研究现状与未来发展方向

作者:小编 发布时间:2021-06-21 17:12:28点击:


作为人工嗅觉的核心元件,气体传感器在环境监测、公共安全、医疗卫生、食品安全和军事航天等领域中具有广阔的应用前景。本文首先从气体传感器的分类与应用阐述了该领域技术发展概况,重点从气敏材料、机理、器件与算法等方面描述了气体传感器技术的研究进展。最后全面展望了气体传感器技术与人工嗅觉的发展方向与动态,并提出了对我国该领域的发展建议。智能传感器产业交流群


(一)气体传感器分类

气体传感器根据工作原理分为直接测量敏感材料电学性能变化的电学型气体传感器和间接测量气体种类与浓度的光学型气体传感器。电学型气体传感器包括半导体型、电化学型、催化燃烧型、石英微天平型与声表面波型。半导体型气体传感器主要根据半导体敏感材料与气体发生反应,导致敏感材料的电子发生得失,从而改变气敏材料的电学性能,通过检测其电学性能的变化即可准确地检测气体,由于其制作简单、操作简洁、成本低廉、易于微型化装配等特点而受到了广泛的关注,但其响应为广谱响应模式,导致其选择性不高。电化学气体传感器是将测量对象气体在电极处氧化或还原形成电流,通过检测电流的大小即可确定气体浓度,具有响应准确度高、一致性好的特点,但其寿命较短。催化燃烧式气体传感器是利用可燃气体催化燃烧产生热效应的原理实现响应,具有输出信号线性好、指数可靠、价格便宜、不会与其他非可燃性气体发生交叉敏感等特点,主要用于可燃性气体响应。石英微天平与声表面波型气体传感器属于频率型器件,即敏感材料与气体反应后的电学性能改变会使得整体器件的频率发生变化,特别是声表面波传感器具有抗干扰能力强、环境适应性强、无线无源、使用寿命长等优点,适合用于难以维护或需要长期工作的场合。间接测量型气体传感器主要是红外气体传感器。红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性,利用气体浓度与吸收强度关系来检测气体组分并确定其浓度的气体传感装置。该类型的传感器不需要与待测气体直接接触,适用于一些特种环境中的测试,如高污染环境、文物保护等。(二)气体传感器的应用

国内气体传感器在应用领域上经历了从工业气体的监测到环境气氛监测的过程。同时,气体传感器应用经历了从单个传感器的使用,到阵列化模组的使用,到基于物联网的智能器件的使用。目前,气体传感器主要应用领域为:室外环境污染物监测

主要检测氮氧化物、二氧化硫、硫化氢等气体。主要采用电化学型气体传感器,该传感器具有灵敏度高,精度高等特点,但相对寿命较短、成本较高。室内环境污染物监测

主要监测气体挥发性有机污染物(甲醛、苯等)。主要采用半导体气体传感器,该传感器具有成本低廉、响应迅速的特点。密闭环境气氛监测

例如军事领域中潜艇、航天领域中航天器舱内环境的监测,主要监测氧气、二氧化碳、氮氧化物等。主要采用半导体气体传感器与红外光谱气体传感器。易燃易爆气体的监测

如:矿井坑道中对于甲烷气体的监测;新型氢能源领域(氢能源站、氢动力汽车等)对于氢气的监测。在该应用方向中,主要采用催化燃烧式气体传感器,该传感器具有选择性好,灵敏度高、响应


(一)发展方向

未来10~15年,随着物联网、可穿戴设备、人工智能技术的进一步发展,气体传感器在如下的领域中有着巨大的需求:移动终端与可穿戴设备

在目前的移动终端(例如手机)中,已经集成了视觉、听觉、触觉等感知器件,若进一步在移动终端中集成气体/嗅觉感知器件,可以使得移动终端器件具备环境气氛感知的功能,可以用于室内外污染气体的监测、香水香味检测、食物变质与假冒伪劣检测、口气检测等。


基于微型气体传感阵列构建微型环境监测站,缩小体积、降低成本,并与路灯、移动网络基站集成,使之能应用于社区网格化监测,采用大数据挖掘获得区域内污染物扩散方式,追踪污染物种类、浓度的变化趋势,为污染源头溯源、污染物治理提供决策依据。


在微型机器人或无人机上集成气体/嗅觉感知器件,可以用于化工区危险物质泄漏溯源,工业园区污染排放监控与定位,也可用于天然气等化工物质运输管道巡检,定位泄漏源。智慧医疗

目前,在医学中已经有数据证明人体呼出气与自身疾病之间有一定关联性,例如糖尿病患者的呼出气中丙酮含量较高,采用嗅觉感知器件可以更精确地识别目标气体,提供可靠的医学判据。一方面可以作为居家检测方式,进行长期健康状况的监测,一方面也可以作为医院中一些疾病的无创初筛检测。


气体感知过程本质上是化学反应,与视觉、听觉、触觉是物理反应不同,其本身的反应较为复杂,对于气敏材料的响应机理目前仍处于宏观上的认识,其中具体的反应过程、制约反应的根本因素等还未解释得非常清晰,包括对于人类嗅觉的感知过程也暂未理清。深入研究气敏反应包括人类嗅觉感知过程可以进一步指导对气敏材料的开发,有助于提高传感器性能,解决传感器选择性、稳定性等问题。


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