【導讀】作為一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器，氣體傳感器在民用、工業、環境檢測等方面都有著廣泛的應用。目前，民用領域是半導體金屬氧化物氣體傳感器的主要應用領域。這主要是因為半導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域的應用主要體現在：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時產生的氣體，從而自動控制微波爐烹調食物；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；在一些高層建筑物中，氣體傳感器還可以用于檢測火災苗頭并報警。
在工業領域，氣體傳感器主要應用在石化工業中。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用中。另外，可用來檢測半導體和微電子工業的有機溶劑和磷烷等劇毒氣體；電力工業方面，氫氣傳感器能夠檢測電力變壓器油變質過程中產生的氫氣；而在食品行業，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境監測領域，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氣體等。相信，在未來，經過對氣體傳感器的進一步改造，其應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用。
氣體傳感器在氣體泄漏事故處置中的應用
用于可燃氣體監測報警
目前，氣敏材料的發展使得氣體傳感器的靈敏度高、性能穩定、結構簡單、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。
半導體氣敏材料對氣體的敏感性與溫度有關。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，還會引發火災。
氣體傳感器的發展解決了這一問題。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、穩定性好、具有一定選擇性的氣體傳感器。
降低半導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，又開發了一些復合金屬氧化物半導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、儲運、使用等場所中，及時檢測氣體含量，及早發現泄漏事故。并將氣體傳感器與保護系統聯動，使保護系統在氣體到達爆炸極限前動作，將事故損失控制在最低。
檢測氣體種類及特性
在氣體泄漏事故發生后，事故處置將圍繞采樣檢測、確定警戒區域、組織危險區域內群眾撤離、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場后，在最短的時間內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相結合，組成智能氣體探測系統，能夠做到迅速準確識別氣體種類，從而測出氣體的毒性。智能氣體傳感系統由氣敏陣列、信號處理系統和輸出系統組成。
采用多個具有不同敏感特性的氣敏元件組成陣列，利用神經網絡模式識別技術對混合氣體進行氣體識別和濃度監測。
同時，將常見有毒、有害、易燃氣體的種類、性質、毒性輸入計算機，并根據氣體的性質編制事故處置預案輸入計算機。
當泄漏事故發生后，智能氣體探測系統將按下面程序工作：進入現場→吸附氣體樣品→氣敏元件產生信號→計算機識別信號→計算機輸出氣體種類、性質、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，由于系統中存儲常見氣體的性質及處置預案等信息，如果知道泄漏事故中氣體的種類，可直接在這套系統中查詢氣體性質和處置方案。
氣體傳感器在半導體制造工業中的應用
以硅材料為主體的半導體工業中，涉及到種類繁多的氣體，實現氣相淀積、離子注入、等離子刻蝕、鈍化保護等工藝過程。
半導體工業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%時在空氣中會發生自燃，容易引起火災；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體工業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體工業中重點監控的對象。
由于半導體工業中的危害性氣體種類繁多，每個半導體行業的工廠都會需要大量的氣體報警儀，目前該領域中應用的氣敏元件絕大多數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用
目前，在很多城市天然氣、油氣管道監測系統中，氣體傳感器檢測技術逐漸成為一種常見的監測手段之一。
通過建設智能居家燃氣管理系統，實現燃氣大數據搜集，從而在用氣高峰時實現有效供應。以在一處高層安裝一臺可燃氣體探測報警器舉例，可以實現實時探測室內空氣成分，旁側設置無線通訊模塊，用于實時上傳數據信息，廚房內安裝一個可視攝像頭用于實時監控。
當內置有可燃氣體傳感器的探測器，檢測到室內環境中可燃氣體泄漏達到設定值時，燃氣安全智能系統開始處理。此時，管道燃氣自動閥門關閉，防止燃氣繼續泄漏；室內排風裝置開啟，更新室內空氣。同時，無線通訊模塊會及時將收集的數據傳輸到控制平臺。
針對聲調油氣管道的動態智能監測系統，使用視頻技術遠程監控管道上方重點部位、使用氣體傳感器檢測報警技術監控泄漏氣體，依托原有社會治安綜合治理信息平臺，可以實現精準預警、遠程指揮。
氣體傳感器在物聯網智能環境領域中的應用
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室內空氣質量標準規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。
傳統的做法是閑置新裝修房子半年，并且保持室內通風，讓有害氣體完全揮發，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。
將氣體傳感器應用于家庭生活環境，針對甲醛、苯、甲苯等揮發性有機物（VOCs）添加獨立的氣體檢測產品，或將氣體傳感器與空調、空氣清新機、空氣凈化器等融為一體，達到內室污染檢測與治理相結合的目的，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品，之所以關注日益升溫，除了安全舒適層面，親情關愛想來也是其中重要原因之一。就家居應用特點而言，半導體氣體傳感器以響應恢復快、適用檢測氣體種類多、壽命長等優點脫穎而出，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。
針對室內空氣的PM2.5粉塵檢測
室內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、心血管系統疾病的人傷害特別嚴重。傳統的做法是開窗通風，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計空氣中的顆粒數量，可以靈敏檢測直徑1um以上的粒子，內置加熱器可實現自動吸入空氣，減少測量誤差，并且體積小，易于安裝使用。
針對新車室內空氣的檢測
據調查，93.6%的新車室內空氣污染嚴重超標，而車內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、苯等有毒物質污染后果最為嚴重，可能誘發癌變。
另一種屢見報端的車內危害氣體，是被稱為“沉默的殺手”的一氧化碳，其主要來源是汽車發動機和汽車尾氣，因停車時開啟空調而產生，若聚集于車內時，車內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，不僅可監測車內甲醛、二甲苯、苯等揮發性有機物，也可以監測車內一氧化碳濃度，起到安全預警的作用，提醒車主采取有效的改善措施，防止悲劇的發生。
在這些案例中，氣體傳感器能夠盡責的完成檢測任務，給用戶提供準確的數據參考。但是還不止于此，基于這些精確數據的聯動才是未來的發展方向，例如檢測到室內甲醛或PM2.5超標，可及時聯動排氣系統或者負氧離子設備，改善室內空氣質量；檢測到家中燃氣泄漏時，及時關閉閥門，同時打開排氣系統，并發出報警通知用戶與控制中心；檢測到車內污染物即啟動空調換氣系統，消除危害等。
氣體傳感器常見故障分析
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。
但大多數產品能在較長時間內提供非常穩定的信號，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用，則校準工作可能需要相對頻繁些。
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。在設備完成設置以前，可能會出現細微漂移或瞬間電流變化。
氣體傳感器是否能被持續暴露于目標氣體？
氣傳感器能斷續監測目標氣體，一般不適合連續監測用，特別是涉及到高氣體濃度、高濕度或高溫度時。
為達到連續監測的目的，有時可以用兩個(甚至三個)傳感器循環使用的方法，使得各個傳感器最多只在半數時間內暴露于氣體中，另一半時間則可在新鮮空氣里得到恢復。
氣體傳感器的未來發展方向
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。
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?，F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。
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。
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。
氣體傳感器最新技術前瞻——超高靈敏度氣體傳感器
一個國際聯合研究小組宣布，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出警報。該研究還有助于改善鋰離子電池和場效應晶體管的性能。
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·特倫斯經過不斷更換摻入元素，成功合成了1厘米見方的高品質摻硼石墨烯片。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。
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個數量級。
未來這種傳感器有望在科學實驗和工業中獲得廣泛的應用，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。
本文來源于傳感器技術。
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