一文解析氣體傳感器技術(shù)、市場及應(yīng)用

從技術(shù)的角度分類，氣體傳感器主要可分為：半導(dǎo)體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、PID氣體傳感器、光化學(xué)型氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器等。和其它傳感器一樣，氣體傳感器發(fā)展的趨勢也是微型化、智能化和多功能化。

氣體傳感器技術(shù)

從技術(shù)的角度分類，氣體傳感器主要可分為：半導(dǎo)體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、PID氣體傳感器、光化學(xué)型氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器等。

半導(dǎo)體氣體傳感器適用面廣，簡單易用，在家用燃?xì)?a target="_blank">檢測、禮品、智能家電等領(lǐng)域大量應(yīng)用，是目前氣體傳感器中應(yīng)用最為廣泛的品種。電化學(xué)氣體傳感器非常適合低濃度毒性氣體檢測，以及氧氣和酒精等無毒氣體的檢測，目前主要應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域以及道路交通安全檢測領(lǐng)域。催化燃燒式氣體傳感器適用于可燃?xì)怏w檢測，主要在煤礦領(lǐng)域檢測瓦斯使用。紅外氣體傳感器適用于檢測甲烷、二氧化碳等氣體，在目前的實(shí)際應(yīng)用中以二氧化碳產(chǎn)品應(yīng)用居多，主要應(yīng)用在暖通空調(diào)與室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控、工業(yè)過程及安全防護(hù)監(jiān)控、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。PID傳感器則主要用于極低濃度的揮發(fā)性氣體檢測（VOC）。

半導(dǎo)體氣體傳感器

自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來,半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最普遍、最具有實(shí)用價值的一類氣體傳感器，根據(jù)其氣敏機(jī)制又可以分為電阻式和非電阻式兩種。

電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜(例如：Sn02，ZnO Fe203，Ti02等)制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。它具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下、對氣味或氣體的選擇性差、元件參數(shù)分散、穩(wěn)定性不夠理想、功率要求高。

非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是二極管式以及場效應(yīng)管式(MOSFET)半導(dǎo)體氣體傳感器。其工作電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測氫和天然氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)與催化金屬(如鈕)接觸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而識別VOC。通過改變催化金屬的種類和膜厚可優(yōu)化靈敏度和選擇性，并可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜，成本高。

電化學(xué)型氣體傳感器

電化學(xué)型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，近年來，又開發(fā)了檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器?？煽仉娢浑娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^測量電解時流過的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測CO，NO，N02，02，S02等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)已電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

光學(xué)式氣體傳感器

光學(xué)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(xué)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。這類傳感器具有高抗振能力和抗污染能力，與計算機(jī)相結(jié)合，能連續(xù)測試分析氣體，具有自動校正、自動運(yùn)行的功能。

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

PID氣體傳感器

PID(Photo Ionization Detector)光離子傳感器PID利用紫外光源將被測氣體激發(fā)電離產(chǎn)生正、負(fù)離子。這些電離的微粒產(chǎn)生的電流經(jīng)過檢測器的放大，就能在儀表上顯示ppm級的濃度。這些離子經(jīng)過電極后很快就重新組合到一起變成原來的有機(jī)分子。在此過程中分子不會有任何損壞；PID不會“燒毀”也不用經(jīng)常更換標(biāo)樣氣體，這樣一來，經(jīng)過PID檢測的氣體仍可被收集做進(jìn)一步的測定。

PID氣體探測器能夠檢測極低濃度揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）和其它有毒氣體。尤其是對VOC的靈敏檢測使其在應(yīng)急事故檢測中具有無可替代的作用。

催化燃燒式氣體傳感器

催化燃燒式傳感器的工作原理是氣敏材料(如Pt電熱絲等)在通電狀態(tài)下，可燃性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(fā)生變化。這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，因而可以專門檢測各種可燃?xì)怏w，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(jiān)測和報警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測。

氣體傳感器發(fā)展方向

和其它傳感器一樣，氣體傳感器發(fā)展的趨勢也是微型化、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(yīng)用為氣體傳感器實(shí)現(xiàn)新功能提供了條件。利用MEMS技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)傳感器尺寸小型化，進(jìn)而研究多氣體傳感器的集成以實(shí)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(shí)現(xiàn)智能化的必然途徑。

環(huán)境監(jiān)測需求推動氣體傳感器市場

空氣污染近年來成為困擾人們生活的一大重要問題?？諝赓|(zhì)量的好壞嚴(yán)重影響著生活質(zhì)量和工作效率，由此催生人們對于空氣質(zhì)量檢測的需求持續(xù)高漲。另外，根據(jù)今年發(fā)布的中國制造2025產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，中國的傳統(tǒng)工業(yè)在未來幾年內(nèi)將面臨著一場信息化與自動化的產(chǎn)業(yè)大升級，而氣體傳感器在這一過程中無疑將扮演更加重要的角色。隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)步，氣體傳感器也在向微型化、集成化、智能化的方向發(fā)展轉(zhuǎn)化，伴隨智慧家庭和智能穿戴等潛力市場的成長，必然不斷會有新的氣體傳感器市場出現(xiàn)?？梢哉f，氣體傳感器在工業(yè)和消費(fèi)兩大市場都已經(jīng)做好了騰飛的準(zhǔn)備。

歐洲氣體傳感器市場2012-2020市場預(yù)測（單位：百萬美元 Grandview Research）

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Grandview Research的數(shù)據(jù)，全球氣體傳感器市場規(guī)模在2013年為17.8億美元，該機(jī)構(gòu)預(yù)測從2014到2020年氣體傳感器市場將以5.1%的復(fù)合增長率擴(kuò)張。

二氧化碳傳感器在全球氣體傳感器的總產(chǎn)值中占有大概25%的比例。二氧化碳傳感器的一大市場推動力源自于對食物腐敗的早期檢測（食物腐敗會釋放二氧化碳）；全球?qū)τ诠?jié)能減排和清潔能源的呼吁對二氧化碳傳感器市場將帶來兩方面的影響，一方面，嚴(yán)格的排放檢測會推動CO2傳感器市場的增長；另一方面，清潔能源逐步替代礦石能源，又將使得其工業(yè)市場表現(xiàn)可能會不如預(yù)期。

預(yù)計氮氧化物（NOx）傳感器將成為增長速度最快的氣體傳感器，2014-2020的復(fù)合增長率將達(dá)到6.2%。NOx傳感器之所以能實(shí)現(xiàn)高速增長，主要?dú)w功于汽車廢氣檢測的巨大需求。類似的，氧氣傳感器也可以用于汽車廢氣檢測，測量廢氣中氧氣含量從而評估發(fā)動機(jī)性能，氧氣傳感器產(chǎn)值約占總市場的10%。

氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域可以劃分為醫(yī)療，樓宇自動化，家庭，環(huán)境監(jiān)測，石油，汽車以及工業(yè)制造領(lǐng)域。其中工業(yè)領(lǐng)域一直都是氣體傳感器最大的應(yīng)用市場，如生產(chǎn)過程中的氣體控制，管線氣體泄漏檢測等，其份額約占20%但預(yù)計增長速度將不及醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用。氣體傳感器主要的醫(yī)療應(yīng)用是呼吸機(jī)和培養(yǎng)箱中氧氣濃度的監(jiān)測，以及環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）的監(jiān)測，其2014-2020年的平均增長速度預(yù)計為5.2%。

亞太地區(qū)預(yù)計2014-2020年的市場增長率將達(dá)6%，截止到2020年亞太地區(qū)將成為氣體傳感器最大的市場。氣體傳感器主要的增長動力來自汽車，智能家居以及手持設(shè)備，亞太地區(qū)的巨大人口保障了氣體傳感器市場的增長空間。

氣體傳感器主要廠商

氣體傳感器生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日本，歐洲和美國。氣體傳感器相關(guān)企業(yè)有英國城市技術(shù)公司（母公司為Honeywell）、日本Figaro、英國Alphasense、 Dynament煒盛科技等。

2012年全球及中國傳感器市場格局

Honeywell子公司英國城市技術(shù)公司2012年傳感器銷售額達(dá)4.5億元，其以電化學(xué)起家，同時涉足紅外和催化類氣體傳感器，其產(chǎn)品既包括O2、CO2、NO、NO2等較為常見氣體傳感器，也包括氰化氫，氯氣，聯(lián)氨等工業(yè)用氣的傳感器。城市技術(shù)每年生產(chǎn)超過一百五十萬個傳感器，產(chǎn)品類別超過200種，生產(chǎn)的傳感器能夠檢測20種不同氣體。

2012年Figaro氣體傳感器銷售額達(dá)2.4億元，位居第二。其產(chǎn)品技術(shù)主要有半導(dǎo)體型（MOS）,電化學(xué)以及催化燃燒型氣體傳感器，廣泛用于工業(yè)，汽車，室內(nèi)空氣檢測以及科學(xué)測量等領(lǐng)域。除傳統(tǒng)技術(shù)外，F(xiàn)igaro還推出了結(jié)合了MEMS技術(shù)的金屬氧化物類型的室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器TGS8100。該傳感器是目前業(yè)界最小面積最低功耗的室內(nèi)空氣傳感器，可用于空調(diào)，空氣凈化機(jī)以及排氣扇等設(shè)備。

Alphasense是位于英國的氣體傳感器公司，主要產(chǎn)品是氧氣、有毒氣體和易燃?xì)怏w傳感器。該公司的傳感器技術(shù)涵蓋了電化學(xué)，催化，光學(xué)和半導(dǎo)體四大種類。

國內(nèi)方面，主要的氣體傳感器企業(yè)有煒盛科技、天津費(fèi)加羅（中日合資）、718所、重慶煤科院和山西騰星等。其中，煒盛科技是目前國內(nèi)唯一能生產(chǎn)半導(dǎo)體類、催化燃燒類、電化學(xué)類和紅外光學(xué)類等四大類氣體傳感器的企業(yè)。公司2013年銷售額近6000萬元，為國內(nèi)氣體傳感器絕對龍頭，占據(jù)60-70%銷售量。檢測氣體種類覆蓋絕大多數(shù)可燃?xì)怏w（甲烷、丙烷、氫氣等）和多數(shù)毒性氣體（一氧化碳、硫化氫、苯等），廣泛應(yīng)用于工業(yè)、礦業(yè)、航空航天、民用、商業(yè)等領(lǐng)域。

氣體傳感器在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

在住宅室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測中，最需要監(jiān)測的氣體是CO2，人在不同CO2濃度的環(huán)境中的反應(yīng)是不同的:

250-350PPM 室外環(huán)境空氣正常背景

350-1000PPM 通風(fēng)良好的室內(nèi)環(huán)境

1000-2000PPM 糟糕空氣，會產(chǎn)生犯困

2000-5000PPM 頭疼、犯困，注意力減退，心跳加速，惡心

>5000PPM 造成永久大腦損傷，昏厥，甚至死亡

測量CO2，現(xiàn)在最可行的技術(shù)是非紅外色散技術(shù)NDIR。隨著IAQ（室內(nèi)空氣質(zhì)量）法規(guī)的健全，未來幾年內(nèi)民用CO2模塊的需求會從全球100萬只猛增到1000萬只，目前單價大約50美元。這將是一個巨大的市場機(jī)遇，但民用產(chǎn)品50美元的價格仍然嫌高，隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信單價會進(jìn)一步降低。

IAQ監(jiān)測中氧氣濃度也是一個重要的指標(biāo)，特別是在農(nóng)產(chǎn)品倉儲領(lǐng)域，氧氣濃度會顯著影響農(nóng)產(chǎn)品的呼吸作用進(jìn)而影響其倉儲品質(zhì)。監(jiān)測O2性價比最高的傳感器目前還是電化學(xué)原理，具體還可細(xì)分為兩種：氧電池傳感器和氧氣泵傳感器。氧電池內(nèi)部含鉛，鉛不斷消耗產(chǎn)生電流，通過測量電流的大小而計算空氣中的氧氣濃度；氧氣泵傳感器不含鉛，壽命可以達(dá)到5年以上，是民用IAQ儀表的理想選擇。

還有一個不得不提的應(yīng)用是甲醛和苯等室內(nèi)有害氣體的檢測。甲醛主要來源于膠合板、粘合劑、油漆和涂料等裝飾材料，長期接觸會導(dǎo)致呼吸道疾病、新生嬰兒染色體異常、白血病等，而苯主要由防水材料、油漆等材料散發(fā)出來，長時間接觸會導(dǎo)致頭痛、失眠、惡心，嚴(yán)重者甚至昏迷以致呼吸、循環(huán)衰竭而死亡。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(fēng)，讓有害氣體完全揮發(fā)，然后再入住。但如此費(fèi)時費(fèi)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(jī)物（VOCs）添加獨(dú)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(jī)、空氣凈化器等融為一體，達(dá)到內(nèi)室污染檢測與治理相結(jié)合的目的。就家居應(yīng)用特點(diǎn)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(diǎn)脫穎而出，而電化學(xué)氣體傳感器則以靈敏度高、線性度等突出特點(diǎn)獲得青睞。

氣體傳感器在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著我國對環(huán)保的越來越重視，煙氣排放監(jiān)測和檢測市場正在快速增長。

SO2和NO2是兩種環(huán)境危害較大的污染氣體，在煤炭和石油的燃燒過程中產(chǎn)生，是酸雨和霧霾的罪魁禍?zhǔn)?，因此需要?yán)格監(jiān)控。如果煙氣中的SO2和NO2排放超過100mg/m^3即為不達(dá)標(biāo)，需要安裝脫硫和脫硝(即脫氮氧化物)的設(shè)備。

現(xiàn)在國家環(huán)保局所認(rèn)可的，分析SO2的方法有非色散紅外吸收法(即NDIR)、碘量法和定電位電解法。分析NO2的方法是紫外分光光度法和鹽酸萘乙二胺分光光度法。簡單的說，在CEMS（煙氣連續(xù)測量）實(shí)時監(jiān)測中，光學(xué)方法(紅外或紫外)是唯一可以使用的方法，電化學(xué)方法雖然可以使用，但由于壽命的原因而只能用在便攜式檢測儀中，不能連續(xù)測量，也就不能用于CEMS。

在過去的十年，CEMS發(fā)展迅猛，國外的供應(yīng)商有ABB、西門子和島津公司，國內(nèi)比較著名的有聚光科技、凱爾科技、雪迪龍等。測量單氣種的單臺設(shè)備采購價就大約10萬元人民幣。

相比而言不針對連續(xù)測量的煙氣分析儀就要便宜許多。煙氣分析儀所用的傳感器基本上都是電化學(xué)原理的，這是由電化學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)所決定的：體積小、耗電省、重量輕、精度高、電路簡單、價格便宜。但電化學(xué)傳感器也有一個致命的弱點(diǎn)，導(dǎo)致它只能用在便攜表內(nèi)，而不能用在CEMS中，那就是內(nèi)部的水分會揮發(fā)，壽命會因此而縮短。不過即使隔一兩年需要更換傳感器，但總體使用成本還是比光學(xué)設(shè)備便宜很多，使用也方便很多。煙氣分析儀內(nèi)所使用的電化學(xué)傳感器包括：SO2、NO、NO2、CO、O2。如果要測CO2，就需要NDIR的紅外傳感器。煙氣分析儀所需的傳感器，基本上都由歐洲的廠家在提供，如TESTO、MRU、RBR、BACHARACH、SYSTRONIK等。

氣體傳感器在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

氣體傳感器在商業(yè)領(lǐng)域最大的應(yīng)用市場要數(shù)冷庫——具體而言是冷庫的制冷氨檢測。隨著我國農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，我國冷庫的噸位已經(jīng)超過1000萬噸，但美國的冷庫超過2200萬噸，但美國的人口只有我們的四分之一。由此可見，我國的冷庫建設(shè)力度還會繼續(xù)加大，據(jù)估計，在未來5年，每年都會以30%的噸位增長。冷庫最主要的制冷劑就是氨氣，因為它高效，價格相對較低，所以被大量使用。但氨氣如果儲存不當(dāng)發(fā)生爆炸或者泄漏都會對人造成嚴(yán)重傷害，所以必須對冷庫中的氨氣濃度嚴(yán)格檢測。

到目前為止，電化學(xué)原理的氨氣傳感器還是首選。氨氣傳感器的單價在1000元上下，全中國年需求量在5萬只左右。

氣體傳感器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

據(jù)調(diào)查，93.6%的新車室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重超標(biāo)，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(yán)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(jī)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。對于車內(nèi)的使用需求，目前已有多款中高端車型配備了與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動的半導(dǎo)體氣體傳感器，而后裝市場的車內(nèi)氣體污染檢測產(chǎn)品更是品種繁多，不勝枚舉。

在這些具體的應(yīng)用案例中，氣體傳感器能夠完成檢測任務(wù)，提供氣體數(shù)據(jù)。但是除這些基本功能之外，基于這些精確數(shù)據(jù)的聯(lián)動才是氣體傳感器未來的發(fā)展方向，例如檢測到室內(nèi)甲醛或PM2.5超標(biāo)，可及時聯(lián)動排氣系統(tǒng)或者負(fù)氧離子設(shè)備，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量；檢測到家中燃?xì)庑孤r，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。另外，如果互動系統(tǒng)完全是由一家企業(yè)提供，無論是空氣檢測標(biāo)準(zhǔn)，還是聯(lián)動啟動標(biāo)準(zhǔn)都是一致的，但當(dāng)系統(tǒng)由不同企業(yè)設(shè)備，采用不同傳感器組成時，檢測標(biāo)準(zhǔn)、聯(lián)動標(biāo)準(zhǔn)需要統(tǒng)一。而未來家居、可穿戴等智能化市場，用戶更希望自由的選擇廠商品牌設(shè)計。如此，如何建立統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)對任何一家傳感器廠商都非常有意義。