氣體傳感器，是指用于檢測一定區(qū)域內(nèi)是否有特定氣體和/或能夠連續(xù)測量氣體成分濃度的傳感器，具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。
近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，加上微電子、微加工技術(shù)和自動化、智能化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得氣體傳感器體積變小、價格低廉、使用方便。氣體傳感器在新興的智能家居、可穿戴設(shè)備、智能移動終端、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應用突飛猛進，大幅擴展了應用空間，需求量也發(fā)生數(shù)量級的改變。
1、氣體傳感器發(fā)展歷史
20世紀初第一只半導體傳感器誕生于英國，并一直在歐洲發(fā)展和應用，直到20世紀50年代半導體傳感技術(shù)才流傳到日本，費加羅公司的創(chuàng)始人Taguchi在1968年5月率先發(fā)明了半導體式氣體傳感器。
它可以用簡單的回路檢測出低濃度的可燃性氣體和還原性氣體，同時將這個半導體式氣體傳感器命名為TGS (Taguchi Gas Sensor) 內(nèi)置在氣體泄漏報警器中，日本和海外的許多家庭和工廠都設(shè)置了這些報警器，用于檢測液化氣等氣體的泄漏，進而把這項技術(shù)推進到了頂峰。
而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導體傳感器的種種不足后開始研究催化傳感器和電化學傳感器。氣體傳感器的理論直到70年代才傳入到我們國家，80年代我國才開始研制氣體傳感器，整個生產(chǎn)技術(shù)主要繼承于德國。
2、氣體傳感器的分類
按照檢測氣體的種類，通常分為可燃氣體傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學、金屬半導體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體傳感器（常采用紅外、紫外等）、氧氣（常采用電化學式、順磁式、氧化鋯式）傳感器等。
從使用方法上
通常分為便攜式氣體傳感器和固定式氣體傳感器。
從獲得氣體樣品的方式上
通常分為擴散式氣體傳感器（即傳感器直接安裝在被測對象環(huán)境中，實測氣體通過自然擴散與傳感器檢測元件直接接觸）、泵吸式氣體傳感器（是指通過使用吸氣泵等手段，將待測氣體引入傳感器檢測元件中進行檢測。根據(jù)對被測氣體是否稀釋，又可細分為完全吸入式和稀釋式等）。
從分析氣體組成上
通常分為單一式氣體傳感器（僅對特定氣體進行檢測）和復合式氣體傳感器（對多種氣體成分進行同時檢測）。
按傳感器檢測原理
通常分為電學式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器和其他類型氣體傳感器等。
3、氣體傳感器的原理及應用
3.1、電學式氣體傳感器
電學式氣體傳感器是利用材料的電學參量隨氣體濃度的變化而改變的特性制作的氣體傳感器。此類傳感器又分為電阻式和非電阻式兩大類，其中電阻式氣體傳感器主要有接觸燃燒式、熱導式、半導體氣體傳感器，而非電阻式氣體傳感器則通常是利用材料的電流或電壓隨氣體含量變化的特點而支撐的傳感器，主要包括MOS二極管式、結(jié)型二極管式和場效應式等。這里主要介紹電阻式氣體傳感器。
接觸燃燒式氣敏元件利用可燃性氣體在氣敏元件表面上發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生熱量從而引起元件電阻值的改變，據(jù)此來檢驗不同濃度的氣體。工作時加熱至300～400 ℃ ,當環(huán)境中有可燃性氣體時，氣體就會在金屬催化層上燃燒，從而引起鉑絲線圈溫度上升、阻值增大，通過測量這一電阻的變化可測定環(huán)境中可燃氣體的濃度。接觸燃燒式氣體傳感器使易燃氣體在傳感器表面接觸燃燒從而引起傳感器的電阻改變，將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為百分LEL（最低爆炸下限）顯示或報警。其主要特點是不受環(huán)境溫度影響，穩(wěn)定性高，且接觸燃燒式氣體傳感器電阻的變化與氣體濃度成線性關(guān)系，使電路設(shè)計變得簡單。應用這種方法能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測和報警。其缺點是壽命短，通常只有1～2年，而且元件表面的催化劑接觸到一些非可燃性氣體時會產(chǎn)生反應從而容易發(fā)生催化劑中毒。
熱傳導式氣體傳感器是根據(jù)不同可燃性氣體的導熱系數(shù)與空氣的差異來測定氣體的濃度的，通常利用電路將導熱系數(shù)的差異轉(zhuǎn)化為電阻的變化。氣體送入氣室后，將熱敏元件加熱到一定溫度，當待測氣體的導熱系數(shù)較高時，將使熱量更容易從熱敏元件上散發(fā)，使其電阻減小，通過惠斯頓電橋測量阻值變化可得到被測氣體的濃度值。
半導體氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化還原反應導致敏感元件電阻值發(fā)生變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在物體表面自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解吸附在物體表面。當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力，則吸附分子將從器件奪走電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層。當氧化型氣體吸附到n型半導體，還原性氣體吸附到p型半導體上時，將使半導體載流子減少，從而使電阻增大。當還原型氣體吸附到n型半導體上，氧化型氣體吸附到p型半導體上時，則載流子增多，半導體阻值下降。在眾多的氣體傳感器門類中，半導體傳感器是非常具有發(fā)展前景的氣體傳感器。原因就在于其工作原理、傳感過程極其簡單，即氣體信息只需一個步驟就可以變?yōu)殡娦盘?；其次便是傳感載體穩(wěn)定；再者造價較為便宜。以上特點不僅為其進化提供了清楚的路徑和空間，也為未來的大規(guī)模布設(shè)提供了經(jīng)濟上的可行性。半導體氣體傳感器也有一些缺點，如對氣體的選擇性差使得誤報的概率比其它方法大。
圖1 表面電荷層模型工作示意圖
3.2、光學式氣體傳感器
利用氣體的光學特性來檢測氣體成分和濃度的傳感器為光學類氣體傳感器。根據(jù)具體的光學原理，可分為紅外吸收式、可見光吸收光度式、光干涉式、化學發(fā)光式和試紙光電光度式、光離子化式等氣體傳感器。
紅外線式氣體傳感器的工作原理是利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應而實現(xiàn)氣體濃度測量的，常用的光譜范圍為1~25μm，其理論依據(jù)是：不同氣體的特征紅外吸收光譜不同，在一定濃度范圍內(nèi)，每種氣體的紅外吸光度值與氣體濃度呈線性關(guān)系，當被測氣體通過受特征波長光照射的氣室時，被測組分吸收特征波長的光，透射光強度與入射光強度、吸光組分濃度之間的關(guān)系遵守比爾定律。常用的類型有DIR色散紅外線式和NDIR非色散紅外線式。紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準確測定氣體濃度，包括二氧化碳、甲烷的檢測。紅外探測器使用無需調(diào)制光源，完全沒有機械運動部件，完全實現(xiàn)免維護化。
圖2 紅外線氣體檢測儀技術(shù)原理
化學發(fā)光式傳感器是利用化學氧化反應伴有的光熱生成原理而工作，常用的化學發(fā)光式分析儀有臭氧分析儀(利用O3-C2H4產(chǎn)生化學發(fā)光反應所放出的光子來測定臭氧)和化學發(fā)光式NOX分析儀(利用O3的強氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學發(fā)光反應來實現(xiàn)測量)。
圖3 化學發(fā)光法檢測NOX原理圖
光離子化傳感器（PID）的工作原理是:在一定能量的光照射下,氣體分子吸收光子產(chǎn)生電離,這種光電離形成的離子數(shù)與氣體分子的濃度有關(guān),通過測定離子流可以得到氣體分子濃度。光離子化法作為一種檢測手段已有六十多年的發(fā)展歷史。早在1957年，Robinson首先報導了這種儀器的研制。1976年，美國的HNU公司推出了首批PID商品儀器,中科院生態(tài)環(huán)境研究中心1989年研制成功我國第一臺光離子化氣體分析儀和有害氣體監(jiān)測儀。PID廣泛應用于微量有機化合物的分析。光離子化檢測器的主要特征是以快速檢測電離勢低于燈絲能級的各種低濃度的揮發(fā)性有機物。
圖4 PID檢測器工作原理
3.3、電化學式氣體傳感器
電化學式氣體傳感器的主要原理是：目標氣體在電極處發(fā)生氧化或者還原反應產(chǎn)生電流，根據(jù)電流強度獲得氣體濃度。電化學式氣體傳感器有兩電極、三電極和四電極結(jié)構(gòu)。
兩電極系統(tǒng)器工作電極和對電極由一薄層電解液隔開并經(jīng)由一個很小的電阻聯(lián)通外電路。
三電極結(jié)構(gòu)在兩電極的基礎(chǔ)上增加了參比電極，使傳感器具有較大的量程和更高的精度，但同時增加了制造工序和材料成本。
四電極結(jié)構(gòu)在三電極基礎(chǔ)上增加了輔助電極（第四電極），輔助電極的信號可以用來抵消溫度變化的影響或者用來提高傳感器的選擇性，用了第四電極可以使傳感器的信號更穩(wěn)定，對被測量氣體有著特定的響應。利用電化學性質(zhì)的氣體傳感器在氣體傳感器中占有相當?shù)谋戎?常見的有以下兩種：
原電池型氣體傳感器，也稱伽伐尼電池型氣體傳感器，或燃料電池型氣體傳感器。此類傳感器通常只有兩個電極，以氧氣傳感器為例，氧在陰極被還原，電子通過外電路流到陽極，鉛金屬被氧化，電流大小與氧氣濃度直接相關(guān)。
恒電位電解池型氣體傳感器，其工作原理是使電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進行電解，通過改變其設(shè)定電位，有選擇地使氣體進行氧化或者還原，從而能定量檢測各種氣體。對于特定氣體來說，設(shè)定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解質(zhì)作用電極的材質(zhì)、電解質(zhì)的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系如下：
I = (nfADC) / σ
其中：I是電解電流，n是1 mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù)，f是法拉第常數(shù)，A是氣體擴散面積，D是擴散系數(shù)，C是電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度，σ是擴散層厚度，在同一傳感器中，n、f、A、D和σ是一定的，電解電流與氣體濃度成正比。
電化學類氣體傳感器體積小、功耗低，檢測氣體時的選擇性、線性和重復性較好，分辨率可到ppb級。不足之處在于某些這類氣體傳感器易受干擾氣體響應，會引起誤報,因而需要增加抗干擾部分。另外它們的最大不足是壽命短,一般1～2年就需要更換。
3.4、其他類型氣體傳感器
氣相色譜法：氣相色譜法是目前分析和研究氣體最準確的方法之一。氫焰離子化檢測器根據(jù)色譜流出物中可燃性有機物在氫-氧火焰中發(fā)生電離的原理而制成；由于在火焰附近存在著由收集極和發(fā)射極之間所造成的靜電場，當被測組分燃燒生成離子，在電場作用下定向移動而形成離子流,經(jīng)微電流放大器放大，然后到記錄儀記錄。但它分析周期長、技術(shù)含量高，不能用以現(xiàn)場分析。
磁學式氣體分析傳感器：在磁學式氣體分析傳感器中，最常見的是利用氧氣的高磁化特性來測量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，利用的是空氣中的氧氣可以被強磁場吸引的原理。其氧量的測量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測量傳感器。
常用的有熱磁對流式氧量分析傳感器(按構(gòu)成方式不同，又可細分為測速熱磁式、壓力平衡熱磁式)和磁力機械式氧量分析傳感器。磁學傳感器主要用于氧氣的檢測，選擇性極好，是磁性氧氣分析儀的核心，其典型應用場合有化肥生產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統(tǒng)、天然氣制乙炔等工業(yè)生產(chǎn)中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環(huán)保監(jiān)測等。
4、氣體傳感器的發(fā)展趨勢
氣體傳感器發(fā)展趨勢主要是是微型化、智能化和多功能化。納米、薄膜技術(shù)等新材料制備技術(shù)的成功應用為氣體傳感器實現(xiàn)新功能提供了條件。利用MEMS技術(shù)幫助實現(xiàn)傳感器尺寸小型化，進而研究多氣體傳感器的集成以實現(xiàn)多功能化。而氣體傳感器與數(shù)字電路的集成則將成為實現(xiàn)智能化的必然途徑。小型化智能化的氣體傳感器將成為激活市場的新亮點。
在應用方面，根據(jù)Yole Développement的分析，氣體傳感器很可能是下一個集成在智能手機或可穿戴設(shè)備的最佳選擇。
消費應用正在推動新的氣體傳感器發(fā)展，以減少成本、功耗和尺寸，尤其是采用MEMS技術(shù)的解決方案。在環(huán)境應用方面，環(huán)保需求日益迫切，環(huán)境監(jiān)測有望成為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）垂直領(lǐng)域中率先落地的亮點應用之一。
氣體傳感器除了在環(huán)境監(jiān)測的其他領(lǐng)域，例如工業(yè)、家居、醫(yī)療、樓宇等也創(chuàng)造了更多機會。特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)用O2傳感器、醫(yī)用CO2傳感器、麻醉氣體傳感器、呼出氣檢測傳感器（包括NO傳感器、H2傳感器、VOC傳感器等）的應用越來越廣泛，未來還有廣闊的市場。
專業(yè)生產(chǎn)氣體傳感器廠家企業(yè)
深圳市道合順傳感實業(yè)有限公司成立于2019年，主要從事氣體傳感器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及解決方案的提供。公司秉承改變中國氣體傳感產(chǎn)業(yè)落后現(xiàn)狀，打造世界超一流的氣體傳感企業(yè)使命，致力于成為全球領(lǐng)先的氣體傳感產(chǎn)業(yè)研發(fā)、制造、解決方案的引領(lǐng)者。
目前公司自主研發(fā)有光學、電化學、半導體、催化等原理的各類傳感器多達40余種，產(chǎn)品廣泛應用于民用安防、環(huán)保健康及工業(yè)安全等領(lǐng)域。公司占地面積近4000平方米，擁有各類生產(chǎn)及檢測設(shè)備50余臺，傳感器產(chǎn)能近1000萬只/年。公司研發(fā)團隊中碩士及以上學歷的各類高端人才占比超50%，在高端化學類傳感器方面進行突破。經(jīng)過4年的發(fā)展，公司先后與霍尼韋爾、美的集團、廣州海科、等眾多客戶開展了良好的合作，2021年向各類企業(yè)提供傳感器500萬只左右，取得了客戶的廣泛好評。
未來，道合順傳感將繼續(xù)在傳感器領(lǐng)域深耕，聚焦傳感器技術(shù)創(chuàng)新，同時借助集團在IC及大數(shù)據(jù)方面、整體方案提供、產(chǎn)業(yè)鏈服務等方面優(yōu)勢，為各類客戶提供一站式服務。
