氣體傳感器的特性及分類

2.4 接觸燃燒式氣體傳感器

接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，其工作原理是氣敏材料(如Pt電熱絲等)在通電狀態下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發生變化。這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，例如在鉛絲上涂敷活性催化劑Rh和Pd等制成的傳感器，具有廣譜特性，即能檢測各種可燃氣體。這種傳感器有時稱之為熱導性傳感器，普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監測和報警。該傳感器在環境溫度下非常穩定，并能對處于爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進行檢測。

2.5 光學式氣體傳感器

光學式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學材料型等，主要以紅外吸收型氣體分析儀為主，由于不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。目前的最新動向是研制開發了流體切換式、流程直接測定式和傅里葉變換式在線紅外分析儀。該傳感器具有高抗振能力和抗污染能力，與計算機相結合，能連續測試分析氣體，具有自動校正、自動運行的功能。光學式氣體傳感器還包括化學發光式、光纖熒光式和光纖波導式，其主要優點是靈敏度高、可靠性好。

光纖氣敏傳感器的主要部分是兩端涂有活性物質的玻璃光纖。活性物質中含有固定在有機聚合物基質上的熒光染料，當VOC與熒光染料發生作用時，染料極性發生變化，使其熒光發射光譜發生位移。用光脈沖照射傳感器時，熒光染料會發射不同頻率的光，檢測熒光染料發射的光，可識別VOC。

2.6 高分子氣體傳感器

近年來，國外在高分子氣敏材料的研究和開發上有了很大的進展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合等特點，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。高分子氣體傳感器根據氣敏特性主要可分為下列幾種：

1) 高分子電阻式氣體傳感器

該類傳感器是通過測量高分子氣敏材料的電阻來測量氣體的體積分數，目前的材料主要有歐菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。其主要優點是制作工藝簡單、成本低廉。但這種氣體傳感器要通過電聚合過程來激活，這既耗費時間，又會引起各批次產品之間的性能差異。

2) 濃差電池式氣體傳感器

濃差電池式氣體傳感器的工作原理是：氣敏材料吸收氣體時形成濃差電池，測量輸出的電動勢就可測量氣體體積分數，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。

3) 聲表面波(SAW)式氣體傳感器SAW氣體傳感器制作在壓電材料的襯底上，一端的表面為輸入傳感器，另一端為輸出傳感器。兩者之間的區域淀積了能吸附VOC的聚合物膜。被吸附的分子增加了傳感器的質量，使得聲波在材料表面上的傳播速度或頻率發生變化，通過測量聲波的速度或頻率來測量氣體體積分數。主要氣敏材料有聚異丁烯、氟聚多元醇等，用來測量苯乙烯和甲苯等有機蒸汽。其優勢在于選擇性高、靈敏度高、在很寬的溫度范圍內穩定、對濕度響應低和良好的可重復性。SAW傳感器輸出為準數字信號，因此可簡便地與微處理器接口。此外，SAW傳感器采用半導體平面工藝，易于將敏感器與相配的電子器件結合在一起，實現微型化、集成化，從而降低測量成本。

4) 石英振子式氣體傳感器

石英振子微秤(QCM)由直徑為數微米的石英振動盤和制作在盤兩邊的電極構成。當振蕩信號加在器件上時，器件會在它的特征頻率。~30MHz)發生共振。振動盤上淀積了有機聚合物，聚合物吸附氣體后，使器件質量增加，從而引起石英振子的共振頻率降低，通過測定共振頻率的變化來識別氣體。

高分子氣體傳感器，對特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好，結構簡單，可在常溫下使用，補充其他氣體傳感器的不足，發展前景良好。

3 加工技術

在傳感器技術里，氣敏元件的制造工藝很多，但針對氣體傳感器的特性、材料，主要采用微電子機械技術(MEMT)。

微電子機械技術是以微電子技術和微加工技術為基礎的一種新技術，分為體微機械技術、表面微機械技術和X射線深層光刻電鑄成型(LIGA)技術。體微機械技術加工對象以體硅單晶為主，加工厚度幾十至數百微米，關鍵技術是腐蝕技術和鍵合技術，優點是設備和工藝簡單，但可靠性差;表面微機械技術利用半導體工藝，如氧化、擴散、光刻、薄膜沉積、犧牲層和剝離等專門技術進行加工，厚度為幾微米，優點是與IC工藝兼容性好，但縱向尺寸小，無法滿足高深寬比的要求，受高溫的影響較大;LIGA技術采用傳統的X射線包光，厚光刻膠作掩膜，電鑄成型工藝，加工厚度達到數微米至數十微米，可實現重復精度很高的大批量生產。

微電子機械技術是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。

4 發展方向

近年來，由于在工業生產、家庭安全、環境監測和醫療等領域對氣體傳感器的精度、性能、穩定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發也越來越重要。隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有機、無機、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電子技術、光纖技術等，使傳感器性能最優化是氣體傳感器的發展方向。

4.1 新氣敏材料與制作工藝的研究開發

對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。現在這方面的工作主要有兩個方向：一是利用化學修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進行改進和優化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性;二是研制開發新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。

4.2 新型氣體傳感器的研制

沿用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先進的加工技術和微結構設計，研制新型傳感器及傳感器系統，如光波導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣體傳感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。

4.3 氣體傳感器智能化

隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。研制能夠同時監測多種氣體的全自動數字式的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。