论文部分内容阅读
[摘 要]气敏传感器从结构上通常分为两大类：即干式和湿式气敏传感器。由于半导体气敏器件具有灵敏度高，响应时间和回复时间短，使用寿命长以及成本低等优点，本文从气敏传感器的基础应用出发，介绍了不同类型气敏传感器的发展状况、特性、应用和结构，基本原理和测试电路，并列举了气敏传感器的典型应用以及发展状况。目前，气敏传感器广泛应用到气体探测器、烟雾报警器、酒精浓度测试器等领域。气敏传感器正向着低功耗、多功能、集成化方向发展。现在还有很多气敏传感器与纳米技术和蓝牙技术相结合，为传感器的发展开辟了更加广阔的空间。
[关键词]气敏传感器发展历史工业生活应用前景
中图分类号：J62.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0218-01
随着科学技术的发展，人们在许多不同的科学领域都取得了显著的成就，但同时也带来了各种问题。如医药的发展带来毒品，工业的发展排放废气导致雾霾，而酿酒业与汽车制造业的发展带来了交通事故比率的上升等等一系列问题。科学技术发展带来的问题只能研究新的科学技术来解决，因此科学家们又研究了许多不同的方法来解决问题，其中，针对各种有害气体给人类带来的危害，气敏传感器成为一项重要的科研课题。近年來，气体探测器、烟雾报警器，虚拟嗅探器、酒精浓度测试器等产品相继被开发出来并投入使用，人们对于那些闻不到的有毒有害的气体进行了有力的挑战。
1.气敏传感器的主要原理及发展历史
气敏传感器又叫“气体传感器”，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号输出的传感器件，是化学传感器中最活跃的一种。最早在20世纪30年代人们就已发现金属氧化物具有气敏效应。20世纪70年代中期，我国开始研制金属氧化物半导体气敏传感器和钯栅MOS场效应氢敏晶体管，并开始在家用燃气报警器和电力工业变压器油变质监测上应用。近年来，我国的气敏传感器技术也飞速发展，全国有几十所院校和研究机构正在研究和开发各种类型的气敏传感器。在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等技术；另外，新研究出的气敏材料、石英晶体和有机半导体也开始用于气敏材料。但与国外发达国家相比还有较大差距，主要体现在产品生产技术和产业化等方面【1】。
气敏传感器的测试电路包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路【2】。加热回路的工作电压不高，在3V-10V之间，但必须要求稳定。否则，将导致加热丝的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响监测准确性。测试回路是应用电路的主要部分。当电路通电，加热丝加热后，随着环境中气体浓度的增加，气敏元件的阻值将会下降，导致输出电压也在不断变化，利用此电压值可以间接检测出气体的浓度。典型的监测电路模型包括信号获取电路、信号驱动电路、报警电路。
2.对气敏传感器技术发展以及应用的研究
2.1气敏传感器在工业煅烧中的应用
在水泥厂的煅烧过程中，由于预热器分解炉和回转窖采用喷煤燃烧，因此必须连续测定烟气中的氧气、二氧化碳、氮化物以及硫化物的浓度，这些参数有以下几个用处。首先，控制引风机的风量，减少过剩气体，提高燃烧率并节省电能；还可以推断烧成反应状态；控制废气成分，减少环境污染以及气敏传感器检测后的输出信号经处理可进行喷煤量控制、引风机转速控制等等【2】。这些参数通常采用红外线气敏传感器和磁性氧气传感器来检测，这是因为大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置的吸收情况，就可以有效分辨气体的种类，准确测定气体浓度。水泥厂应用的红外线气敏传感器属于大型的分析仪器。但是近年来，随着以MEMS技术为基础的传感器工业的发展，这种气敏传感器的体积已由10L、45kg的巨无霸，减小到2ml左右，而且使用无需调制光源的红外探测器使得仪器完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。目前这种新型的红外气敏传感器在欧洲已有应用。
2.2新型气敏传感器的研制
随着新材料、新工艺和新技术的应用，气敏传感器的性能也将变得更加完善。现在研制出来的气敏传感器较之前的都有小型化、微型化和多功能化等优点，而且具有长期稳定的性能、使用方便、价格低廉。随着生活水平的提高以及对环保的日益重视，生活中对各种有毒有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测和食品质量的监测等都对气敏传感器提出了更高的要求【3】。沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料（硅、石英、陶瓷等），采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统，如光波导气敏传感器、高分子声表面波和石英谐振式气敏传感器的开发与使用，微生物气敏传感器和仿生气敏传感器的研究。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气敏传感器集成化和智能化提供了良好的前提条件。气敏传感器将在充分利用微机械和微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气敏传感器将是该领域的重要研究方向【4】。
2.3应用纳米技术和蓝牙技术
随着工业生产和环境检测的迫切需要，纳米气敏传感器已获得长足的发展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器，这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点，一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是工作温度大大降低；三是大大缩小了传感器的尺寸。
现在还有很多气敏传感器与纳米技术和蓝牙技术相结合。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中【5】。
2.4气敏传感器与MEMS技术
MEMS技术是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构建、光学系统、驱动部件等集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器。
3气敏传感器发展方向
气敏传感器正向着低功耗、多功能、集成化方向发展。传感器产业将进一步向着生产规模化、专业化和自动化方向发展。随着新型敏感材料的加速开发和各种新技术的综合运用，同时伴随着电子技术突飞猛进的发展，传感器行业近几年来发展尤其迅速，气敏传感器作为产业化发展的重点产品之一，广泛应用于建材、化工、建筑、环保等多种领域，并获得长足的进步，而且还会进一步的发展，为我们日常生活带来各种便捷。
参考文献：
[1]钱显毅.传感器原理与应用.东南大学出版社，2009：10-12.
[2]吴晓枫.气敏传感器的应用研究.新课程，2010，32（2）：98-102.
[关键词]气敏传感器发展历史工业生活应用前景
中图分类号：J62.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0218-01
随着科学技术的发展，人们在许多不同的科学领域都取得了显著的成就，但同时也带来了各种问题。如医药的发展带来毒品，工业的发展排放废气导致雾霾，而酿酒业与汽车制造业的发展带来了交通事故比率的上升等等一系列问题。科学技术发展带来的问题只能研究新的科学技术来解决，因此科学家们又研究了许多不同的方法来解决问题，其中，针对各种有害气体给人类带来的危害，气敏传感器成为一项重要的科研课题。近年來，气体探测器、烟雾报警器，虚拟嗅探器、酒精浓度测试器等产品相继被开发出来并投入使用，人们对于那些闻不到的有毒有害的气体进行了有力的挑战。
1.气敏传感器的主要原理及发展历史
气敏传感器又叫“气体传感器”，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号输出的传感器件，是化学传感器中最活跃的一种。最早在20世纪30年代人们就已发现金属氧化物具有气敏效应。20世纪70年代中期，我国开始研制金属氧化物半导体气敏传感器和钯栅MOS场效应氢敏晶体管，并开始在家用燃气报警器和电力工业变压器油变质监测上应用。近年来，我国的气敏传感器技术也飞速发展，全国有几十所院校和研究机构正在研究和开发各种类型的气敏传感器。在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等技术；另外，新研究出的气敏材料、石英晶体和有机半导体也开始用于气敏材料。但与国外发达国家相比还有较大差距，主要体现在产品生产技术和产业化等方面【1】。
气敏传感器的测试电路包括两部分，即气敏元件的加热回路和测试回路【2】。加热回路的工作电压不高，在3V-10V之间，但必须要求稳定。否则，将导致加热丝的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响监测准确性。测试回路是应用电路的主要部分。当电路通电，加热丝加热后，随着环境中气体浓度的增加，气敏元件的阻值将会下降，导致输出电压也在不断变化，利用此电压值可以间接检测出气体的浓度。典型的监测电路模型包括信号获取电路、信号驱动电路、报警电路。
2.对气敏传感器技术发展以及应用的研究
2.1气敏传感器在工业煅烧中的应用
在水泥厂的煅烧过程中，由于预热器分解炉和回转窖采用喷煤燃烧，因此必须连续测定烟气中的氧气、二氧化碳、氮化物以及硫化物的浓度，这些参数有以下几个用处。首先，控制引风机的风量，减少过剩气体，提高燃烧率并节省电能；还可以推断烧成反应状态；控制废气成分，减少环境污染以及气敏传感器检测后的输出信号经处理可进行喷煤量控制、引风机转速控制等等【2】。这些参数通常采用红外线气敏传感器和磁性氧气传感器来检测，这是因为大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置的吸收情况，就可以有效分辨气体的种类，准确测定气体浓度。水泥厂应用的红外线气敏传感器属于大型的分析仪器。但是近年来，随着以MEMS技术为基础的传感器工业的发展，这种气敏传感器的体积已由10L、45kg的巨无霸，减小到2ml左右，而且使用无需调制光源的红外探测器使得仪器完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。目前这种新型的红外气敏传感器在欧洲已有应用。
2.2新型气敏传感器的研制
随着新材料、新工艺和新技术的应用，气敏传感器的性能也将变得更加完善。现在研制出来的气敏传感器较之前的都有小型化、微型化和多功能化等优点，而且具有长期稳定的性能、使用方便、价格低廉。随着生活水平的提高以及对环保的日益重视，生活中对各种有毒有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测和食品质量的监测等都对气敏传感器提出了更高的要求【3】。沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料（硅、石英、陶瓷等），采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统，如光波导气敏传感器、高分子声表面波和石英谐振式气敏传感器的开发与使用，微生物气敏传感器和仿生气敏传感器的研究。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气敏传感器集成化和智能化提供了良好的前提条件。气敏传感器将在充分利用微机械和微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气敏传感器将是该领域的重要研究方向【4】。
2.3应用纳米技术和蓝牙技术
随着工业生产和环境检测的迫切需要，纳米气敏传感器已获得长足的发展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器，这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点，一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是工作温度大大降低；三是大大缩小了传感器的尺寸。
现在还有很多气敏传感器与纳米技术和蓝牙技术相结合。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中【5】。
2.4气敏传感器与MEMS技术
MEMS技术是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构建、光学系统、驱动部件等集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器。
3气敏传感器发展方向
气敏传感器正向着低功耗、多功能、集成化方向发展。传感器产业将进一步向着生产规模化、专业化和自动化方向发展。随着新型敏感材料的加速开发和各种新技术的综合运用，同时伴随着电子技术突飞猛进的发展，传感器行业近几年来发展尤其迅速，气敏传感器作为产业化发展的重点产品之一，广泛应用于建材、化工、建筑、环保等多种领域，并获得长足的进步，而且还会进一步的发展，为我们日常生活带来各种便捷。
参考文献：
[1]钱显毅.传感器原理与应用.东南大学出版社，2009：10-12.
[2]吴晓枫.气敏传感器的应用研究.新课程，2010，32（2）：98-102.