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气体传感器:微型化、新材料、智能化成重要方向

2020-10-19 16:23
工采网
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传感器的概念对于公众而言不一定熟悉,但是用于日常防疫工作的红外测温仪、检查酒驾醉驾的呼吸式酒精检测仪、家用燃气泄露报警器都是常见的电子测量仪器,在人们日常的生活中发挥着重要的作用,其核心器件就是传感器。

传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中,气体传感器一般用来测量环境中某种气体或者有机挥发物的浓度,主要用于气体的含氧量监测、易燃易爆气体和有毒有害气体的泄露检测等安全监管领域,在环保监测、石油化工生产安全监管、煤矿瓦斯监测、医学诊断等领域具有重要意义。

传感器是重要的信息获取装置

按照测量对象、测量原理和传感器的敏感材料划分,气体传感器有很多种类。

具体来说,气体传感器的测量对象有氧气、易燃易爆气体(氢气、甲烷、乙炔等)、有毒有害气体(一氧化碳、氨气、二氧化氮等)和有机挥发物(酒精、丙酮等)。

按照测量原理划分,常见的气体传感器有电阻型、催化燃烧型、电化学型、光学型、热导型等。

常见的气体传感器敏感材料有金属氧化物半导体、导电聚合物、催化剂材料、固体电解质和杂化材料等。金属氧化物半导体型传感器具有广谱性,除了少数几种气体以外,对绝大多数气体都有响应,但其稳定性和选择性有待提高。催化燃烧型传感器主要用于氢气、甲烷等可燃性气体的检测,检测浓度相对比较高。固体电解质传感器主要用来测量氧气、氮氧化物等,主要用于汽车尾气排放监测。光学型传感器只对吸收特征光的气体有响应,测量范围宽,但容易受到湿度、灰尘干扰。热导型气体传感器只能用于定量测试,也就是对成分已知的环境中的气体含量进行检测。

传感器是重要的信息获取装置,与信息传输技术(通信技术和信息处理技术)、计算机技术并列信息技术三个主要组成部分。随着物联网兴起,传感器的作用日益受到重视。

物联网是通过感知设备、按照约定协议,连接物、人、系统和信息资源,对物理和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统。其中的感知设备主要是传感器,成本适当、准确高效地获取信息是信息系统首先要解决的问题。这就要求传感器的性能进一步提升,同时要有相应的信号接口,因为一般气体传感器的输出量都是模拟量,要通过相应的模数转换并符合一定的接口协议,才能与物联网适配。一般需要增加模数转化模块或者将气体传感器、调理电路和模数转换电路集成到一个单片系统上,这就涉及不同材料的微纳加工工艺的兼容问题。另外,对于智能移动终端来讲,气体传感器的功耗、尺寸不能过大,而且成本能够使消费者接受。

微型化、新材料、智能化成重要方向

气体传感器的核心指标为3S和2R,即灵敏度(sensitivity)、选择性(selectivity)和稳定性(stability),响应特性(response)和恢复特性(recovery)。更高的灵敏度意味着更低的检测限,可以降低预警的浓度范围,提高安全性。高选择性可以避免或降低非目标气体的干扰,减低误报率。响应特性和恢复特性决定了传感器的检测速度。目前气体传感器在应用中最大的问题是稳定性不能满足需要,这是由于气体传感器的检测过程一般都涉及化学反应,化学反应和环境气氛会对材料的表面以及微观结构造成慢性影响,使传感器性能的稳定性和寿命不能满足实际需求。

目前气体传感器的发展趋势主要体现在三个方面:

一是微型化。利用硅基微加工技术或者多层陶瓷共烧结技术,采用厚膜薄膜混合电子技术,将传感器微型化,实现批量化制造,提高一致性和互换性,使其体积和功耗显著降低,能够应用于对低能耗和小尺寸有较高要求的领域。

二是新材料的应用,气体传感器的关键是气体敏感材料,敏感材料决定了传感器的各项性能,特别是选择性和稳定性。纳米材料、分级材料、杂化材料、新型碳材料(碳纳米管、石墨烯和石墨炔等)以及新型二维材料、金属有机框架化合物的应用,对于提高气体传感器的性能,拓宽气体传感器的应用领域有潜在的意义。

三是智能化,单立传感器器件存在的问题可能短时间内无法解决,可以采用算法进行补偿提升,将多个相同或者不同类型气体传感器组成传感器阵列,对其信号进行加工处理,采用先进的算法,获得更多有价值的信息,提高测量仪器的性能。

可行性和实用性亟待突破

第一支实用化的二氧化锡传感器由日本费加罗公司于1968年投入市场,至今已经发展了50多年。我国自上世纪80年代起通过基础研究和技术引进,形成了一定的研发生产能力和人才队伍,但是在市场化方面和先进国家仍有一定差距,主要体现在敏感材料的制备、器件制造自动化和产品性能上。

目前传感器技术特别是气体传感器技术的发展远远滞后于通信技术和计算机技术的发展,这是因为传感器的种类多,每种传感器的市场规模相对较小,属于特种元器件,发展难免受限。因此,欧美、日本以及我国都对传感器技术研发给予重点支持。

气体传感器看似不起眼,但涉及物理、化学、生物、材料、电子和信息等多个学科。一个气体传感器产品从原理样机到中试,再到批量化市场推广,需要一个循序渐进的过程,每个过程都需要宽广深厚的基础。建议由高等院校和基础性研究机构进行原理样机的开发,解决材料和器件制造中的科学问题,解决实际应用过程中可能遇到的难题,判断产品推广的可行性。而企业聚焦中试和批量化,使批量生产规模化、标准化,降低生产成本,形成产业链,提升产品的实用性。在研发过程中,要重视和尊重科研人员、创业家、企业家、工程师和技术人员,重视每一位人才,将科技强国和工匠精神落到实处。同时,要严格保护知识产权,形成产学研结合的良好生态。

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