超越人类的“电子鼻”——气体传感器
2016-10-27 14:56:51   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

“闻所未闻”的“电子鼻”

2015年央视著名记者柴静拍摄的纪录片《穹顶之下》点燃了国人对空气污染的大讨论。在人类赖以生存的大气环境里，充满了呼吸必须的氧气，也存在对人体有害的氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳等气体，以及PM2.5等颗粒物。大气污染，在不知不觉中侵蚀着人体的健康，轻者带来身体不适，重者引起癌症等恶性疾病。室内污染和车内空气污染，以装修建材和汽车内饰挥发的甲醛、苯等挥发性有机化合物（VOC）等为罪魁祸首，严重的污染会引起视线模糊、青少年记忆力下降、胎儿畸形、白血病等。

2014年8月，昆山一家金属制品工厂的抛光车间发生特别重大粉尘爆炸事件，造成上百人死亡。车间内气体、颗粒物浓度监控及管线泄露探测（如粉尘、氧气、一氧化碳、硫化氢、卤素气体、煤气、天然气等）对安生生产的重要性不言而喻。另外一个场景，医生或者医学研究者需要测量培养基增养的细菌样本的气体成本以及呼气气体中所包含的特定的体现病理情况的气体成分，为病情诊断提供确实可信的数据信息。

以上设置的场景，靠人体鼻子是无法精确识别出各种气体的存在及其含量的，而气体传感器却拥有人类“闻所未闻”的能力。集成气体传感器的气体探测设备已经应用于国防和工业安全，并形成了一个高度管制和成熟的市场。但是人类社会面临的空气质量问题，以及环境保护意识的不断增强，为气体传感器创造了新的应用和市场机会，如大气、室内和车内空气质量监测。

据麦姆斯咨询报道，一些新兴的气体传感器应用更是集成到智能手机、可穿戴设备和智能家居方面。比如霍尼韦尔（Honeywell）研发的微型真空泵可应用在各种移动设备上，可以闻出有毒化学品、花粉等任何物质与气味，内建在智能手机上帮助手机实现“嗅觉”的功能。台湾工研院开发省电又轻薄短小的酒测手表，只要对着酒测手表轻轻一吹，就可以马上测出酒精浓度，应酬喝酒可以自己检测，吹气显示绿灯才上路，不怕酒驾危险，造成公共危险。

Honeywell的微型MEMS真空泵利用像涡轮的叶片实现手持式分析仪

台湾工研院研发的MEMS“酒精感测芯片”应用于可穿戴设备

纷繁复杂的气体传感器技术

气体传感器应用范围广泛，不同的应用都拥有不同的技术要求，一般由被测气体类型、灵敏度、选择性、响应时间、寿命和功耗决定。从技术的角度分类，气体传感器主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、PID气体传感器、光化学型气体传感器、催化燃烧式传感器等。

半导体型气体传感器

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体型气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器，根据其气敏机制又可以分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用气敏材料（例如：SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2）等金属氧化物制成的阻抗器件。电阻式半导体气体传感器借助物质的吸附作用并引起表面化学反应和体原子价态的变化而导致半导体的电阻不同，从而识别不同的气体。由于气体的多样性，理论解释也难以统一，目前提出了表面电荷层模型、接触粒界势垒模型、能级生成理论模型、体原子价控制模型，但最广泛的是表面电荷层模型。气敏元件一般工作在空气中，其中氧气是强氧化性气体，极易在气敏材料表面进行物理和化学吸附。下图（a）和（b）分别所示物理吸附和化学吸附，室温下进行缓慢。当温度升高，O2-进一步转化为O-，如图（c）所示。O-活性很高，与吸附在气敏材料表面上的还原性气体离子基团（如C2H5OH）迅速反应，从而引起气敏材料电阻变化。

电阻式半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高。

表面电荷层模型工作示意图

非电阻式半导体气体传感器是利用一些物理效应与器件特性来检测气体，如二极管的电压-电流特性和场效应管（MOSFET）的阈值电压变化特性。主要检测氢和天然气等可燃性气体。其中，MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物（VOC）与催化金属接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。

电化学型气体传感器

电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，NO2，O2，SO2等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。

电化学型气体传感器结构示意图

光学式气体传感器

光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等。主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。这类传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。

各种气体吸收红外线光谱图

光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料，当VOC与荧光染料发生作用时，染料极性发生变化，使其荧光发射光谱发生位移。用光脉冲照射传感器时，荧光染料会发射不同频率的光，检测荧光染料发射的光，可识别VOC。

PID气体传感器

PID（Photo Ionization Detector）光离子传感器利是使用具有特定电离能的真空紫外灯产生紫外线，当有机气体分子在电离室对气体分子进行轰击，把气体中含有的有机物分子电离击碎成带正电的离子和带负电的电子。在极化极板的电场作用下，离子和电子向极板撞击，从而形成可被探测到微弱的离子电流。这些电离的微粒产生的电流经过放大，就能在仪表上显示ppm级的浓度。这些离子经过电极后很快就重新组合到一起变成原来的有机分子。在此过程中分子不会有任何损坏；PID不会“烧毁”也不用经常更换标样气体，这样一来，经过PID检测的气体仍可被收集做进一步的测定。

PID气体传感器工作原理

PID气体探测器能够检测极低浓度挥发性有机化合物（VOC）和其它有毒气体。尤其是对VOC的灵敏检测使其在应急事故检测中具有无可替代的作用。

催化燃烧式气体传感器

催化燃烧式传感器的工作原理是气敏材料（如Pt电热丝等）在通电状态下，可燃性气体在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。实际应用采用惠斯通电桥测量电路。电桥中的黑元件是检测元件，白元件为补偿元件，白元件与黑元件相比之缺少催化剂层，也就是说白元件遇到可燃气体不能燃烧。当空气总有一定浓度的可燃气体时，黑元件由于燃烧而电阻值上升，电桥失去平衡，由电压输出，起到检测作用。

左图：催化元件示意图（1-催化剂；2-载体；3-Pt电热丝）；右图：催化元件测试电路

这种传感器对不燃烧气体不敏感，因而可以专门检测各种可燃气体，普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。

契合未来趋势，市场潜力巨大

随着健康问题越来越得到关注，大气质量、室内空气质量、车内空气质量监控数据则成为人们随时随地想看到的数据，气体传感器在这一过程中无疑将扮演更加重要的角色。随着MEMS技术的进步，气体传感器也在向微型化、集成化、智能化的方向发展转化，伴随智慧家庭和智能可穿戴设备等潜力市场的成长，必然不断会有新的气体传感器市场出现。可以说，气体传感器在工业和消费两大市场都已经做好了腾飞的准备。

根据Yole市场调研，目前气体传感器市场主要受暖通空调（HVAC）驱动增长，而未来将受消费类应用驱动增长。2014年，气体传感器市场规模为5.6亿美元，预计2021年将达到9.2亿美元，未来五年的复合年增长率为7.3%。

2014-2021年气体传感器市场营收预测

气体传感器生产企业主要集中在英日德美和中国。气体传感器相关企业有英国城市技术公司（City）、日本Figaro、英国Alphasense、中国炜盛科技等。国内方面，主要的气体传感器企业有炜盛科技、天津费加罗（中日合资）、718所、重庆煤科院和山西腾星等，歌尔股份也在今年9月推出了新研发的检测可挥发性气体（VOC）的气体传感器。其中，炜盛科技是目前国内唯一能生产半导体类、催化燃烧类、电化学类和红外光学类等四大类气体传感器的企业。公司每年为全球市场提供超过1500万支的各类气体传感器，广泛用于工业和民用可燃和有毒气体探测等领域，成为国内当之无愧的气体传感器的龙头企业。

11月8日，在上海新国际博览中心举办的『第二十届“微言大义”研讨会：超越人类的电子五官』，炜盛科技及歌尔股份将带你领略气体传感器中环境检测应用中的风采。如果你想了解详情，请登录会议官网：www.MEMSeminar.com查看。