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(tài)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(fā)生變化。這種傳感器對(duì)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(cè)各種可燃?xì)怏w。這種傳感器有時(shí)稱之為熱導(dǎo)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(jiān)測(cè)和報(bào)警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 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(guò)測(cè)量和分析紅外吸收峰來(lái)檢測(cè)氣體。目前的最新動(dòng)向是研制開(kāi)發(fā)了流體切換式、流程直接測(cè)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(jì)算機(jī)相結(jié)合，能連續(xù)測(cè)試分析氣體，具有自動(dòng)校正、自動(dòng)運(yùn)行的功能。光學(xué)式氣體傳感器還包括化學(xué)發(fā)光式、光纖熒光式和光纖波導(dǎo)式，其主要優(yōu)點(diǎn)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(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(shí)，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(shí)，熒光染料會(huì)發(fā)射不同頻率的光，檢測(cè)熒光染料發(fā)射的光，可識(shí)別VOC。

2.6 高分子氣體傳感器

近年來(lái)，國(guó)外在高分子氣敏材料的研究和開(kāi)發(fā)上有了很大的進(jìn)展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特點(diǎn)，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)具有重要作用。高分子氣體傳感器根據(jù)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(guò)測(cè)量高分子氣敏材料的電阻來(lái)測(cè)量氣體的體積分?jǐn)?shù)，目前的材料主要有歐菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。其主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。但這種氣體傳感器要通過(guò)電聚合過(guò)程來(lái)激活，這既耗費(fèi)時(shí)間，又會(huì)引起各批次產(chǎn)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(shí)形成濃差電池，測(cè)量輸出的電動(dòng)勢(shì)就可測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)，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(qū)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(zhì)量，使得聲波在材料表面上的傳播速度或頻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量聲波的速度或頻率來(lái)測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。主要?dú)饷舨牧嫌芯郛惗∠?、氟聚多元醇等，用?lái)測(cè)量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。其優(yōu)勢(shì)在于選擇性高、靈敏度高、在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、對(duì)濕度響應(yīng)低和良好的可重復(fù)性。SAW傳感器輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，因此可簡(jiǎn)便地與微處理器接口。此外，SAW傳感器采用半導(dǎo)體平面工藝，易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)微型化、集成化，從而降低測(cè)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(shù)微米的石英振動(dòng)盤(pán)和制作在盤(pán)兩邊的電極構(gòu)成。當(dāng)振蕩信號(hào)加在器件上時(shí)，器件會(huì)在它的特征頻率。~30MHz)發(fā)生共振。振動(dòng)盤(pán)上淀積了有機(jī)聚合物，聚合物吸附氣體后，使器件質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共振頻率降低，通過(guò)測(cè)定共振頻率的變化來(lái)識(shí)別氣體。

高分子氣體傳感器，對(duì)特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在常溫下使用，補(bǔ)充其他氣體傳感器的不足，發(fā)展前景良好。

3 加工技術(shù)

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

微電子機(jī)械技術(shù)是以微電子技術(shù)和微加工技術(shù)為基礎(chǔ)的一種新技術(shù)，分為體微機(jī)械技術(shù)、表面微機(jī)械技術(shù)和X射線深層光刻電鑄成型(LIGA)技術(shù)。體微機(jī)械技術(shù)加工對(duì)象以體硅單晶為主，加工厚度幾十至數(shù)百微米，關(guān)鍵技術(shù)是腐蝕技術(shù)和鍵合技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，但可靠性差;表面微機(jī)械技術(shù)利用半導(dǎo)體工藝，如氧化、擴(kuò)散、光刻、薄膜沉積、犧牲層和剝離等專門(mén)技術(shù)進(jìn)行加工，厚度為幾微米，優(yōu)點(diǎn)是與IC工藝兼容性好，但縱向尺寸小，無(wú)法滿足高深寬比的要求，受高溫的影響較大;LIGA技術(shù)采用傳統(tǒng)的X射線包光，厚光刻膠作掩膜，電鑄成型工藝，加工厚度達(dá)到數(shù)微米至數(shù)十微米，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)精度很高的大批量生產(chǎn)。

微電子機(jī)械技術(shù)是通過(guò)系統(tǒng)的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。

4 發(fā)展方向

近年來(lái)，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(lái)越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開(kāi)發(fā)也越來(lái)越重要。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有機(jī)、無(wú)機(jī)、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(jī)理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)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。

4.1 新氣敏材料與制作工藝的研究開(kāi)發(fā)

對(duì)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，F(xiàn)e203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測(cè)方面?，F(xiàn)在這方面的工作主要有兩個(gè)方向：一是利用化學(xué)修飾改性方法，對(duì)現(xiàn)有氣體敏感膜材料進(jìn)行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對(duì)成膜工藝進(jìn)行改進(jìn)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(kāi)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(duì)不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性。由于有機(jī)高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡(jiǎn)單、易于與其它技術(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。

4.2 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(jìn)的加工技術(shù)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(kāi)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(zhǎng)期穩(wěn)定性好、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害氣體的探測(cè)，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測(cè)以及對(duì)食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都對(duì)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(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)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(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體的全自動(dòng)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。