氣體傳感器應(yīng)用場景及常見故障分析

作為一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，氣體傳感器在民用、工業(yè)、環(huán)境檢測等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

目前，民用領(lǐng)域是半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域。這主要是因為半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的價格便宜，性能也能滿足家庭報警器的要求。

具體來說的話，氣體傳感器在民用領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：廚房里，檢測天然氣、液化石油氣和城市煤氣等民用燃氣的泄漏，通過檢測微波爐中食物烹調(diào)時產(chǎn)生的氣體，從而自動控制微波爐烹調(diào)食物；住房、大樓、會議室和公共娛樂場所用二氧化碳傳感器、煙霧傳感器、臭氧傳感等，控制空氣凈化器或電風扇的自動運轉(zhuǎn)；在一些高層建筑物中，氣體傳感器還可以用于檢測火災(zāi)苗頭并報警。

在工業(yè)領(lǐng)域，氣體傳感器主要應(yīng)用在石化工業(yè)中。一些二氧化碳傳感器、氨氣傳感器、一氧化氮傳感器等都能用在檢測二氧化碳、氨氣、氯氣等有害氣體的具體應(yīng)用中。另外，可用來檢測半導(dǎo)體和微電子工業(yè)的有機溶劑和磷烷等劇毒氣體；電力工業(yè)方面，氫氣傳感器能夠檢測電力變壓器油變質(zhì)過程中產(chǎn)生的氫氣；而在食品行業(yè)，氣體傳感器也可以檢測肉類等易腐敗食物的新鮮度；在汽車和窯爐工業(yè)檢測廢氣中氧氣，公路交通檢測駕駛員呼氣中乙醇氣濃度等方面，也有著廣泛的需求。

當然，涉及到最為貼近生活的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，自然也離不開氣體傳感器。例如，用傳感器檢測氮的氧化物、硫的氧化物、氯化氫等引起酸雨的氣體；二氧化碳傳感器、臭氧傳感器、氟里昂等檢測溫室效應(yīng)氣體等。相信，在未來，經(jīng)過對氣體傳感器的進一步改造，其應(yīng)用的范圍會越來越廣泛，我們也將在更多的場合見到氣體傳感器的應(yīng)用。?

氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應(yīng)用

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用于可燃氣體監(jiān)測報警

目前，氣敏材料的發(fā)展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格便宜，并提高了傳感器的選擇性和敏感性。

現(xiàn)有的燃氣報警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，并且因催化劑中毒而影響報警的準確性。

半導(dǎo)體氣敏材料對氣體的敏感性與溫度有關(guān)。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達到峰值。

由于這些氣敏材料在需要在較高溫度下(一般大于100℃)達到敏感度最好，這不僅要消耗額外的加熱功率，還會引發(fā)火災(zāi)。

氣體傳感器的發(fā)展解決了這一問題。例如，氧化鐵系氣敏陶瓷所制的氣體傳感器，不需要添加貴金屬催化劑就可造成靈敏度高、穩(wěn)定性好、具有一定選擇性的氣體傳感器。

降低半導(dǎo)體氣敏材料的工作溫度，大大提高它們在常溫下的靈敏度，使其能在常溫下工作。目前，除了常用的單一金屬氧化物陶瓷外，又開發(fā)了一些復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏陶瓷和混合金屬氧化物氣敏陶瓷。

將氣體傳感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體的生產(chǎn)、儲運、使用等場所中，及時檢測氣體含量，及早發(fā)現(xiàn)泄漏事故。并將氣體傳感器與保護系統(tǒng)聯(lián)動，使保護系統(tǒng)在氣體到達爆炸極限前動作，將事故損失控制在最低。

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檢測氣體種類及特性

在氣體泄漏事故發(fā)生后，事故處置將圍繞采樣檢測、確定警戒區(qū)域、組織危險區(qū)域內(nèi)群眾撤離、搶救中毒人員、堵漏、洗消等方面展開。

由于有毒氣體可通過人的呼吸系統(tǒng)進入人體造成傷害，在處置有毒氣體泄漏事故時的安全防護必須迅速完成。

這就要求事故處置人員在到達事故現(xiàn)場后，在最短的時間內(nèi)能夠了解氣體的種類、毒性等特性。

將氣體傳感器陣列與計算機技術(shù)相結(jié)合，組成智能氣體探測系統(tǒng)，能夠做到迅速準確識別氣體種類，從而測出氣體的毒性。智能氣體傳感系統(tǒng)由氣敏陣列、信號處理系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)組成。

采用多個具有不同敏感特性的氣敏元件組成陣列，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)對混合氣體進行氣體識別和濃度監(jiān)測。

同時，將常見有毒、有害、易燃氣體的種類、性質(zhì)、毒性輸入計算機，并根據(jù)氣體的性質(zhì)編制事故處置預(yù)案輸入計算機。

當泄漏事故發(fā)生后，智能氣體探測系統(tǒng)將按下面程序工作：進入現(xiàn)場→吸附氣體樣品→氣敏元件產(chǎn)生信號→計算機識別信號→計算機輸出氣體種類、性質(zhì)、毒性及處置方案。

由于氣體傳感器的靈敏度較高，在氣體濃度很低的時候就可以進行檢測，而不必深入事故現(xiàn)場，以避免不了解情況而造成不必要的傷害。使用計算機處理，以上過程可以迅速完成。

這樣，可以迅速準確地采取有效的防護措施，實施正確的處置方案，將事故損失降低到最低程度。

另外，由于系統(tǒng)中存儲常見氣體的性質(zhì)及處置預(yù)案等信息，如果知道泄漏事故中氣體的種類，可直接在這套系統(tǒng)中查詢氣體性質(zhì)和處置方案。?

氣體傳感器在半導(dǎo)體制造工業(yè)中的應(yīng)用

以硅材料為主體的半導(dǎo)體工業(yè)中，涉及到種類繁多的氣體，實現(xiàn)氣相淀積、離子注入、等離子刻蝕、鈍化保護等工藝過程。

半導(dǎo)體工業(yè)中的安全隱患主要是有毒氣體和腐蝕性氣體。其中，毒性較強的氣體包括鍺烷（GeH4）、磷烷（PH3）、砷烷（AsH3）、氫化銻（SbH3)、三氟化磷（PH3）等，毒性較弱但具有刺激性的氣體包括氨氣(NH3)、硅烷（SiH4）、三氟化硼（BF3）、四氟化硫（SF4）等，具有強腐蝕性的氣體包括SiF4、HF等。

其中，用于硅及其化合物氣相淀積最常用的硅烷在室溫下濃度超過1%時在空氣中會發(fā)生自燃，容易引起火災(zāi)；而用于外延、摻雜等工藝的磷烷、砷烷，則具有強烈的血溶性毒性，是和硅烷一起作為半導(dǎo)體工業(yè)中最主要的檢測氣體；在III-V族材料刻蝕中常常用到氯基的氣體，容易引起眼及上呼吸道刺激癥狀，一般報警點在8ppm左右；還有一些氣體，例如SF6，主要用于硅及其化合物的刻蝕，雖然純品無毒，但在高溫電弧作用下會分解成一系列有毒的氣體，包括SF4、S2F2、HF等，因此這些含硫或含氟的有毒氣體也是半導(dǎo)體工業(yè)中重點監(jiān)控的對象。

由于半導(dǎo)體工業(yè)中的危害性氣體種類繁多，每個半導(dǎo)體行業(yè)的工廠都會需要大量的氣體報警儀，目前該領(lǐng)域中應(yīng)用的氣敏元件絕大多數(shù)是電化學氣體傳感器。

氣體傳感器在城市燃氣管理與油氣管道保護中的應(yīng)用

目前，在很多城市天然氣、油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)中，氣體傳感器檢測技術(shù)逐漸成為一種常見的監(jiān)測手段之一。

通過建設(shè)智能居家燃氣管理系統(tǒng)，實現(xiàn)燃氣大數(shù)據(jù)搜集，從而在用氣高峰時實現(xiàn)有效供應(yīng)。以在一處高層安裝一臺可燃氣體探測報警器舉例，可以實現(xiàn)實時探測室內(nèi)空氣成分，旁側(cè)設(shè)置無線通訊模塊，用于實時上傳數(shù)據(jù)信息，廚房內(nèi)安裝一個可視攝像頭用于實時監(jiān)控。

當內(nèi)置有可燃氣體傳感器的探測器，檢測到室內(nèi)環(huán)境中可燃氣體泄漏達到設(shè)定值時，燃氣安全智能系統(tǒng)開始處理。此時，管道燃氣自動閥門關(guān)閉，防止燃氣繼續(xù)泄漏；室內(nèi)排風裝置開啟，更新室內(nèi)空氣。同時，無線通訊模塊會及時將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破脚_。

針對聲調(diào)油氣管道的動態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，使用視頻技術(shù)遠程監(jiān)控管道上方重點部位、使用氣體傳感器檢測報警技術(shù)監(jiān)控泄漏氣體，依托原有社會治安綜合治理信息平臺，可以實現(xiàn)精準預(yù)警、遠程指揮。?

氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)智能環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用

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針對新房裝修的有害氣體檢測

新裝修居室90%以上的有害氣體都嚴重超標，以甲醛為例，新居初裝完成時含量都在2.5ppm以上，有的高達十幾甚至幾十ppm（GBT18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標準規(guī)定甲醛含量最高不超過0.1mk/m3，即0.074ppm）。

裝修材料是有害氣體的主要來源，諸如人造板材、夾心板、膠、漆、涂料、粘合劑、花崗巖、瓷磚及石膏等，這些材料均含有不同程度的甲醛、苯、氨、氡等污染物，零污染的裝修材料是不存在的。

傳統(tǒng)的做法是閑置新裝修房子半年，并且保持室內(nèi)通風，讓有害氣體完全揮發(fā)，然后再入住。但如此費時費力也只是可以降低危害，避過甲醛等危害最大的時段而已，并不能消除危險。

將氣體傳感器應(yīng)用于家庭生活環(huán)境，針對甲醛、苯、甲苯等揮發(fā)性有機物（VOCs）添加獨立的氣體檢測產(chǎn)品，或?qū)怏w傳感器與空調(diào)、空氣清新機、空氣凈化器等融為一體，達到內(nèi)室污染檢測與治理相結(jié)合的目的，既可對久居家中的老、弱、婦、孺等低抵抗力人群起到最大的保護作用，又可讓在外拼搏的親人安心。

而今火爆的智能家居產(chǎn)品，之所以關(guān)注日益升溫，除了安全舒適層面，親情關(guān)愛想來也是其中重要原因之一。就家居應(yīng)用特點而言，半導(dǎo)體氣體傳感器以響應(yīng)恢復(fù)快、適用檢測氣體種類多、壽命長等優(yōu)點脫穎而出，而電化學氣體傳感器則以靈敏度高、線性度等突出特點獲得青睞。?

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針對室內(nèi)空氣的PM2.5粉塵檢測

室內(nèi)PM2.5主要來源于吸煙、炒菜時候的油煙以及不完全燃燒的煤氣等情況，容易導(dǎo)致多種疾病，特別對于老人、兒童、嬰兒或者是原本就有呼吸、心血管系統(tǒng)疾病的人傷害特別嚴重。傳統(tǒng)的做法是開窗通風，在做飯時候使用抽油煙機強行排出粉塵氣體。這些做法并不能確保室內(nèi)空氣的干凈。

PM2.5粉塵傳感器通過紅外光在灰塵顆粒物的散射作用統(tǒng)計空氣中的顆粒數(shù)量，可以靈敏檢測直徑1um以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實現(xiàn)自動吸入空氣，減少測量誤差，并且體積小，易于安裝使用。

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針對新車室內(nèi)空氣的檢測

據(jù)調(diào)查，93.6%的新車室內(nèi)空氣污染嚴重超標，而車內(nèi)空氣污染源主要來自車體本身、裝飾用材等，其中甲醛、二甲苯、苯等有毒物質(zhì)污染后果最為嚴重，可能誘發(fā)癌變。

另一種屢見報端的車內(nèi)危害氣體，是被稱為“沉默的殺手”的一氧化碳，其主要來源是汽車發(fā)動機和汽車尾氣，因停車時開啟空調(diào)而產(chǎn)生，若聚集于車內(nèi)時，車內(nèi)人員會因吸入這種無色無味的毒氣而在不覺中中毒身亡。

采用適合的氣體傳感器，不僅可監(jiān)測車內(nèi)甲醛、二甲苯、苯等揮發(fā)性有機物，也可以監(jiān)測車內(nèi)一氧化碳濃度，起到安全預(yù)警的作用，提醒車主采取有效的改善措施，防止悲劇的發(fā)生。

在這些案例中，氣體傳感器能夠盡責的完成檢測任務(wù)，給用戶提供準確的數(shù)據(jù)參考。但是還不止于此，基于這些精確數(shù)據(jù)的聯(lián)動才是未來的發(fā)展方向，例如檢測到室內(nèi)甲醛或PM2.5超標，可及時聯(lián)動排氣系統(tǒng)或者負氧離子設(shè)備，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量；檢測到家中燃氣泄漏時，及時關(guān)閉閥門，同時打開排氣系統(tǒng)，并發(fā)出報警通知用戶與控制中心；檢測到車內(nèi)污染物即啟動空調(diào)換氣系統(tǒng)，消除危害等。?

氣體傳感器常見故障分析

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氣體傳感器使用多久后需要再校準？

最初校準和再校準的時間間隔長短取決于許多因素，通常包括傳感器的使用溫度、濕度、壓力，被暴露于何種氣體，及被暴露于氣體的時間長短。

但大多數(shù)產(chǎn)品能在較長時間內(nèi)提供非常穩(wěn)定的信號，使用氣體傳感器只需要定期校準，如每年一次。如對傳感器使用要求極高或用于安全應(yīng)用，則校準工作可能需要相對頻繁些。

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氣體本身的溫度與傳感器的溫度不同怎么辦？

傳感器自身的溫度決定了其最低顯示電流，而被測量氣體樣本的溫度對此有一定的影響。氣體分子通過細孔進入傳感電極的速率決定了傳感器的信號。

如果通過細孔的擴散氣體溫度和傳感器內(nèi)的氣體溫度不同，可能對傳感器的敏感性造成一定的影響。在設(shè)備完成設(shè)置以前，可能會出現(xiàn)細微漂移或瞬間電流變化。

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氣體傳感器是否能被持續(xù)暴露于目標氣體？

氣傳感器能斷續(xù)監(jiān)測目標氣體，一般不適合連續(xù)監(jiān)測用，特別是涉及到高氣體濃度、高濕度或高溫度時。

為達到連續(xù)監(jiān)測的目的，有時可以用兩個(甚至三個)傳感器循環(huán)使用的方法，使得各個傳感器最多只在半數(shù)時間內(nèi)暴露于氣體中，另一半時間則可在新鮮空氣里得到恢復(fù)。?

氣體傳感器的未來發(fā)展方向

近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)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(fā)也越來越重要。隨著先進科學技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)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(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。

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新氣敏材料與制作工藝的研究開發(fā)

對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導(dǎo)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?，F(xiàn)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(xiàn)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(yōu)化，提高氣體傳感器的穩(wěn)定性和選擇性;

二是研制開發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復(fù)合型和混合型半導(dǎo)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(wěn)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(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點，已成為研究的熱點。

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新型氣體傳感器的研制

沿用傳統(tǒng)的作用原理和某些新效應(yīng)，優(yōu)先使用晶體材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先進的加工技術(shù)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制新型傳感器及傳感器系統(tǒng)，如光波導(dǎo)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(fā)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(shù)的應(yīng)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(wěn)定性好、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。?

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氣體傳感器智能化

隨著人們生活水平的不斷提高和對環(huán)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(yè)廢氣的監(jiān)測以及對食品和居住環(huán)境質(zhì)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(shù)等新材料研制技術(shù)的成功應(yīng)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(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能技術(shù)等多學科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)字式的智能氣體傳感器將是該領(lǐng)域的重要研究方向。?

氣體傳感器最新技術(shù)前瞻——超高靈敏度氣體傳感器

一個國際聯(lián)合研究小組宣布，通過在石墨烯中加入硼原子的方式，他們開發(fā)出一種靈敏度極高的氣體傳感器。該裝置能“嗅”出空氣中濃度極低的有害氣體，在人們還未察覺時發(fā)出警報。該研究還有助于改善鋰離子電池和場效應(yīng)晶體管的性能。

用石墨烯制成的氣體傳感器已具有很高靈敏度，但科學家們并不想止步于此，希望通過在石墨烯中摻入其他元素的方式讓其性能得到進一步提升。

美國賓夕法尼亞州立大學物理學、化學和材料學教授莫里西歐·特倫斯經(jīng)過不斷更換摻入元素，成功合成了1厘米見方的高品質(zhì)摻硼石墨烯片。為防止硼化合物暴露在空氣后快速分解，他們研制中用到了類似起泡器的化學氣相沉積系統(tǒng)。

核心部件制成后，被送往本田研究院的美國公司進行組裝。2010年諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學科學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫的實驗室負責研究傳感器的傳輸機制。此外，比利時、日本和中國的科學家也促成了這項研究。

測試顯示，新的氣體傳感器能夠探測到濃度極低的有害氣體分子，如空氣中含量為十億分之一的氮氧化合物和百萬分之一的氨氣，靈敏度比單純用石墨烯制成的氣體傳感器要分別高出27倍和1000倍。

負責此項研究的本田研究所首席科學家阿維迪克·哈瑞泰元認為，新方法開辟了一條制造超高靈敏度氣體傳感器的新途徑。該技術(shù)未來極有可能突破1000的五次方分之一檢出限，在靈敏度上，比目前最先進的氣體傳感器高6個數(shù)量級。

未來這種傳感器有望在科學實驗和工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用，無論是有毒有害氣體、超標排放的汽車尾氣，還是大氣污染中的氮氧化合物都會在它面前一一顯出原形。

編輯：黃飛

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