隨著生活水平的提高和環(huán)保意識的加強，人們對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測都提了更高的要求，作為感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器在生產(chǎn)、生活中的作用日益凸顯。

8月14日HOPE開放創(chuàng)新平臺推出了“HOPE大家說”，邀請了來自德國的電化學氣體傳感器專家Peter Koller 博士與國內(nèi)電化學氣體傳感器應(yīng)用專家李德霞女士，分享了“氣體傳感器的技術(shù)分析及應(yīng)用”，并與海爾各產(chǎn)業(yè)線上的優(yōu)秀創(chuàng)客們，對氣體傳感器在各領(lǐng)域的應(yīng)用上，進行了深度探討。

氣體傳感器的發(fā)展歷程

20世紀60年代Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了世界上第一個氣體檢測器，而后80年代年英國Persaud等人利用氣體檢測器模擬生物嗅覺，研發(fā)出了氣體傳感器的雛形。

20世紀初第一只半導體傳感器于英國誕生，并一直在歐洲發(fā)展和應(yīng)用，直到20世紀50年代半導體氣體傳感器技術(shù)才流傳到日本，并由日本人把這項技術(shù)推進到了頂峰。而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導體技術(shù)的種種不足后，開始研究其他傳感器。氣體傳感器的理論直到上個世紀70年代才傳入我國，80年代才進入研制階段，整個技術(shù)主要繼承于德國。

氣體傳感器的廣泛應(yīng)用

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主干和關(guān)鍵要素。傳感器作為通向現(xiàn)實世界的接口，是物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵“組成部分”，提供與壓力、溫度、位置、角度、時間、電流、電壓等物理參數(shù)相對應(yīng)的電子信號。而氣體傳感器則是傳感器技術(shù)領(lǐng)域中重要門類之一，它包括半導體氣體傳感器、固體氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學氣體傳感器、光學氣體傳感器等（如表１），橫跨了功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術(shù)、納米技術(shù)、有機高分子等眾多基礎(chǔ)和應(yīng)用學科。

（表１：常用氣體傳感器的原理、應(yīng)用場景及優(yōu)缺點）

類型

工作原理

應(yīng)用場景

優(yōu)缺點

半導體氣體傳感器

由金屬半導體氧化物或者金屬氧化物材料制成的檢測元件， 與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附和反應(yīng)，引起載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化而進行氣體濃度測量的。

工業(yè)、家用領(lǐng)域爆炸下限內(nèi)氣體的半定量、定性檢測

對常見污染物檢測線性范圍相對較窄；受背景氣體干擾較大；易受環(huán)境溫度影響等；功耗高

MEMS傳感器

把不同的敏感元件集成在同一芯片上實現(xiàn)多功能傳感(如微型氣敏傳感器)；還可以把多個相同的敏感元件集成在同一芯片上形成傳感器陣列

醫(yī)療、汽車電子、運動追蹤系統(tǒng)、手機拍照領(lǐng)域

工藝 未來發(fā)展空間巨大

固體氣體傳感器

使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。

應(yīng)用特定場合

選擇性，靈敏度高于半導體；壽命又長于電化學；響應(yīng)時間過長；功耗較大；成本高；高功耗

催化燃燒氣體傳感器

在一定的條件下（300℃~400℃）被測可燃性氣體到達傳感器表面與吸附氧發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，導致咸濕線圈（一般為鉑金屬）電阻發(fā)生變化，通過檢測感濕線圈電阻的變化實現(xiàn)對氣體的檢測。

燃氣泄露監(jiān)測；煤礦瓦斯；石油化工、加油站防泄漏；可燃起火容積防泄漏監(jiān)控

有引燃爆炸危險；無法測量過燃點氣體；環(huán)境對傳感器影響大；高濃度可燃氣沖擊會造成損壞；容易被特定化合物中毒；容易被鹵代氫和硫化氫抑制；高功耗

電化學氣體傳感器

被測氣體擴散或泵入到催化電極（工作電極）表面，并發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，由此產(chǎn)生的電流與被測氣體的深度成正大；通過檢測電流的大小即可實現(xiàn)對氣體的測定。

工業(yè)現(xiàn)場微量毒氣定量檢測；環(huán)境保護微量毒氣定量檢測；特殊場合氧氣含量檢測；家用毒性氣體定量檢測

檢測中消耗的主要是被檢測氣體；傳感器無法在干燥無氧的空氣中工作沒有功耗

光學氣體傳感器

利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應(yīng)而實現(xiàn)氣體濃度測量的，常用光譜范圍1～25μm，常用的類型有DIR色散紅外線式和NDIR非色散紅外線式。

可燃氣定量檢測;家庭、工業(yè)CO2檢測;工業(yè)及環(huán)保領(lǐng)域可燃氣、硫化物、氮氧化物定量檢測

有一定的非線性；根據(jù)工作場合需經(jīng)常校準；壽命較短；功耗高

PID氣體傳感器

利用高能量的紫外光線將有機物氣體電離，再將帶電離子在極板上形成的電流放大進行測量，電流的大小就反應(yīng)了氣體濃度的大小

為工作人員提供實時的信息反饋，確認他們處于沒有暴露于危險化學品之中的安全狀態(tài)，確保工作人員的安全

能檢測到PPB級；可靠性高；不依賴于氧氣；受環(huán)境干擾因素較小；有一定的非線性；需經(jīng)常校準；成本高；壽命短；功耗大

紅外線氣體傳感器

利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量

石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域

精度高，可靠性高，不依賴于氧氣，受環(huán)境干擾因素較小，壽命長；技術(shù)壁壘高，制造成本高，功耗大

固態(tài)聚合物傳感器——開創(chuàng)行業(yè)新技術(shù)革命

在電化學傳感器的發(fā)展過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過水液體電解質(zhì)電化學傳感器、有機溶劑電解質(zhì)電化學傳感器和離子液體電解質(zhì)電化學傳感器等類型。其中，水液體電解質(zhì)電化學傳感器的電解液易蒸發(fā)，傳感器的壽命較短;有機溶劑電解質(zhì)電化學傳感器的電解質(zhì)易燃，反應(yīng)體系復雜;離子液體電解質(zhì)電化學傳感器容易出現(xiàn)漏液、腐蝕電極等問題。為了徹底解決以上問題，人們將研究的重點放在了固體電解質(zhì)的開發(fā)上，并研發(fā)出了固態(tài)聚合物氣體傳感器。

人們通過在聚合物中引入離子液體，開發(fā)出了固體聚合物電解質(zhì)電化學傳感器。這種傳感器具有離子液體和聚合物二者的優(yōu)點，一是該電解質(zhì)具有固體電解質(zhì)的性質(zhì)，消除了離子液體密封困難的問題; 二是在聚合物中引入離子，提高了聚合物的離子導電性能。

固態(tài)聚合物電化學傳感技術(shù)是檢測領(lǐng)域的一次革命性創(chuàng)新，該技術(shù)依據(jù)電化學氣體檢測原理，測量可以化學分解的各種氣體，消除了常規(guī)電化學傳感器中因電解液滲漏或干涸對器件性能的影響，而且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等優(yōu)點。

（表2：固態(tài)聚合物氣體傳感器的優(yōu)點）

1

無功耗

固態(tài)聚合物氣體傳感器電化學原理

2

體積小

目前最小體積 8mm*8mm*1mm

3

壽命長

傳感器壽命可達5-10年

4

高精度，高分率

精度：1%

分辨率：0.01ppm

5

穩(wěn)定性好

<2ppm

6

免維護

無需后期維護，傳感器自檢校正

7

智能化

可實現(xiàn)智能化處理，識別幾百種有毒有害氣體并對所測氣體進行各項參數(shù)修正與匹配，最終給出精確數(shù)值

8

響應(yīng)時間短

30秒內(nèi)快速響應(yīng)

9

一致性好

可達到95%以上

10

低成本

核心部件全機械自動化生產(chǎn)、批量化工業(yè)生產(chǎn)

固態(tài)聚合物傳感器的兩大應(yīng)用

電子鼻：一般包括一組交叉敏感的電化學傳感器陣列、適當?shù)哪Ｊ阶R別方法，來自動檢測和辨別簡單的、或復雜的氣味。和傳統(tǒng)的氣體分析技術(shù)如氣相色譜法（Gas Chromatography,GC)、質(zhì)譜法（Mass Spectroscopy,MS)、火焰離子化檢測（Flame Ionization Detection,FID）等相比，具有響應(yīng)速度快、易于使用、價格低廉等優(yōu)點，因此在食品、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、生物及安全等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

智能傳感器（intelligent sensor）：是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：1、通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集。2、成本低具有一定的編程自動化能力。3、功能多樣化。

固態(tài)聚合物傳感器的未來與發(fā)展

固態(tài)聚合物傳感器現(xiàn)已在家電、家居領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用：凈化甲醛、燃氣熱水器的CO預警、新風系統(tǒng)和空氣凈化器的空氣質(zhì)量檢測、廚房的油煙與安全預警、智慧家居中的VOC檢測等。

在聽取了“氣體傳感器的技術(shù)分析及應(yīng)用”講座之后，到場的創(chuàng)客們與國內(nèi)外專家就固態(tài)聚合物傳感器在不同領(lǐng)域應(yīng)用的可行性上進行了深入探討。

固態(tài)聚合物傳感器未來將向著小型化、高度集成化和智能化發(fā)展，力爭做到更加準確、更快響應(yīng)、更低成本、更好選擇、更大產(chǎn)量。它的發(fā)展必將為提高人們生活中的環(huán)保系數(shù)和智能化水平提供有力的技術(shù)支撐。