一文读懂气体传感器应用场景

传感器技术 2020-08-06


作为一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器,气体传感器在民用、工业、环境检测等方面都有着广泛的应用。

 

目前,民用领域是半导体金属氧化物气体传感器的主要应用领域。这主要是因为半导体金属氧化物气体传感器的价格便宜,性能也能满足家庭报警器的要求。

 


具体来说的话,气体传感器在民用领域的应用主要体现在:厨房里,检测天然气、液化石油气和城市煤气等民用燃气的泄漏,通过检测微波炉中食物烹调时产生的气体,从而自动控制微波炉烹调食物;住房、大楼、会议室和公共娱乐场所用二氧化碳传感器、烟雾传感器、臭氧传感等,控制空气净化器或电风扇的自动运转;在一些高层建筑物中,气体传感器还可以用于检测火灾苗头并报警。

 

在工业领域,气体传感器主要应用在石化工业中。一些二氧化碳传感器、氨气传感器、一氧化氮传感器等都能用在检测二氧化碳、氨气、氯气等有害气体的具体应用中。另外,可用来检测半导体和微电子工业的有机溶剂和磷烷等剧毒气体;电力工业方面,氢气传感器能够检测电力变压器油变质过程中产生的氢气;而在食品行业,气体传感器也可以检测肉类等易腐败食物的新鲜度;在汽车和窑炉工业检测废气中氧气,公路交通检测驾驶员呼气中乙醇气浓度等方面,也有着广泛的需求。

 


当然,涉及到最为贴近生活的环境监测领域,自然也离不开气体传感器。例如,用传感器检测氮的氧化物、硫的氧化物、氯化氢等引起酸雨的气体;二氧化碳传感器、臭氧传感器、氟里昂等检测温室效应气体等。相信,在未来,经过对气体传感器的进一步改造,其应用的范围会越来越广泛,我们也将在更多的场合见到气体传感器的应用。 

 


气体传感器在气体泄漏事故处置中的应用


1

用于可燃气体监测报警

 

目前,气敏材料的发展使得气体传感器的灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格便宜,并提高了传感器的选择性和敏感性。


现有的燃气报警器,多采用氧化锡加贵金属催化剂气敏元件,但选择性差,并且因催化剂中毒而影响报警的准确性。


半导体气敏材料对气体的敏感性与温度有关。常温下敏感度较低,随着温度的升高,敏感度增加,在一定温度下达到峰值。


由于这些气敏材料在需要在较高温度下(一般大于100℃)达到敏感度最好,这不仅要消耗额外的加热功率,还会引发火灾。

 


气体传感器的发展解决了这一问题。例如,氧化铁系气敏陶瓷所制的气体传感器,不需要添加贵金属催化剂就可造成灵敏度高、稳定性好、具有一定选择性的气体传感器。


降低半导体气敏材料的工作温度,大大提高它们在常温下的灵敏度,使其能在常温下工作。目前,除了常用的单一金属氧化物陶瓷外,又开发了一些复合金属氧化物半导体气敏陶瓷和混合金属氧化物气敏陶瓷。

 

将气体传感器安装在易燃、易爆、有毒有害气体的生产、储运、使用等场所中,及时检测气体含量,及早发现泄漏事故。并将气体传感器与保护系统联动,使保护系统在气体到达爆炸极限前动作,将事故损失控制在最低。

 

2

检测气体种类及特性

 

在气体泄漏事故发生后,事故处置将围绕采样检测、确定警戒区域、组织危险区域内群众撤离、抢救中毒人员、堵漏、洗消等方面展开。


由于有毒气体可通过人的呼吸系统进入人体造成伤害,在处置有毒气体泄漏事故时的安全防护必须迅速完成。


这就要求事故处置人员在到达事故现场后,在最短的时间内能够了解气体的种类、毒性等特性。

 

将气体传感器阵列与计算机技术相结合,组成智能气体探测系统,能够做到迅速准确识别气体种类,从而测出气体的毒性。智能气体传感系统由气敏阵列、信号处理系统和输出系统组成。


采用多个具有不同敏感特性的气敏元件组成阵列,利用神经网络模式识别技术对混合气体进行气体识别和浓度监测。


同时,将常见有毒、有害、易燃气体的种类、性质、毒性输入计算机,并根据气体的性质编制事故处置预案输入计算机。


当泄漏事故发生后,智能气体探测系统将按下面程序工作:进入现场→吸附气体样品→气敏元件产生信号→计算机识别信号→计算机输出气体种类、性质、毒性及处置方案。

 


由于气体传感器的灵敏度较高,在气体浓度很低的时候就可以进行检测,而不必深入事故现场,以避免不了解情况而造成不必要的伤害。使用计算机处理,以上过程可以迅速完成。


这样,可以迅速准确地采取有效的防护措施,实施正确的处置方案,将事故损失降低到最低程度。


另外,由于系统中存储常见气体的性质及处置预案等信息,如果知道泄漏事故中气体的种类,可直接在这套系统中查询气体性质和处置方案。 

 

气体传感器在半导体制造工业中的应用

 

以硅材料为主体的半导体工业中,涉及到种类繁多的气体,实现气相淀积、离子注入、等离子刻蚀、钝化保护等工艺过程。

 

半导体工业中的安全隐患主要是有毒气体和腐蚀性气体。其中,毒性较强的气体包括锗烷(GeH4)、磷烷(PH3)、砷烷(AsH3)、氢化锑(SbH3)、三氟化磷(PH3)等,毒性较弱但具有刺激性的气体包括氨气(NH3)、硅烷(SiH4)、三氟化硼(BF3)、四氟化硫(SF4)等,具有强腐蚀性的气体包括SiF4、HF等。


其中,用于硅及其化合物气相淀积最常用的硅烷在室温下浓度超过1%时在空气中会发生自燃,容易引起火灾;而用于外延、掺杂等工艺的磷烷、砷烷,则具有强烈的血溶性毒性,是和硅烷一起作为半导体工业中最主要的检测气体;在III-V族材料刻蚀中常常用到氯基的气体,容易引起眼及上呼吸道刺激症状,一般报警点在8ppm左右;还有一些气体,例如SF6,主要用于硅及其化合物的刻蚀,虽然纯品无毒,但在高温电弧作用下会分解成一系列有毒的气体,包括SF4、S2F2、HF等,因此这些含硫或含氟的有毒气体也是半导体工业中重点监控的对象。

 


由于半导体工业中的危害性气体种类繁多,每个半导体行业的工厂都会需要大量的气体报警仪,目前该领域中应用的气敏元件绝大多数是电化学气体传感器。

 

气体传感器在城市燃气管理与油气管道保护中的应用

 

目前,在很多城市天然气、油气管道监测系统中,气体传感器检测技术逐渐成为一种常见的监测手段之一。

 

通过建设智能居家燃气管理系统,实现燃气大数据搜集,从而在用气高峰时实现有效供应。以在一处高层安装一台可燃气体探测报警器举例,可以实现实时探测室内空气成分,旁侧设置无线通讯模块,用于实时上传数据信息,厨房内安装一个可视摄像头用于实时监控。

 

当内置有可燃气体传感器的探测器,检测到室内环境中可燃气体泄漏达到设定值时,燃气安全智能系统开始处理。此时,管道燃气自动阀门关闭,防止燃气继续泄漏;室内排风装置开启,更新室内空气。同时,无线通讯模块会及时将收集的数据传输到控制平台。

 


针对声调油气管道的动态智能监测系统,使用视频技术远程监控管道上方重点部位、使用气体传感器检测报警技术监控泄漏气体,依托原有社会治安综合治理信息平台,可以实现精准预警、远程指挥。 

 

气体传感器在物联网智能环境领域中的应用

 

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针对新房装修的有害气体检测

 

新装修居室90%以上的有害气体都严重超标,以甲醛为例,新居初装完成时含量都在2.5ppm以上,有的高达十几甚至几十ppm(GBT18883-2002室内空气质量标准规定甲醛含量最高不超过0.1mk/m3,即0.074ppm)。


装修材料是有害气体的主要来源,诸如人造板材、夹心板、胶、漆、涂料、粘合剂、花岗岩、瓷砖及石膏等,这些材料均含有不同程度的甲醛、苯、氨、氡等污染物,零污染的装修材料是不存在的。

 

传统的做法是闲置新装修房子半年,并且保持室内通风,让有害气体完全挥发,然后再入住。但如此费时费力也只是可以降低危害,避过甲醛等危害最大的时段而已,并不能消除危险。

 


将气体传感器应用于家庭生活环境,针对甲醛、苯、甲苯等挥发性有机物(VOCs)添加独立的气体检测产品,或将气体传感器与空调、空气清新机、空气净化器等融为一体,达到内室污染检测与治理相结合的目的,既可对久居家中的老、弱、妇、孺等低抵抗力人群起到最大的保护作用,又可让在外拼搏的亲人安心。


而今火爆的智能家居产品,之所以关注日益升温,除了安全舒适层面,亲情关爱想来也是其中重要原因之一。就家居应用特点而言,半导体气体传感器以响应恢复快、适用检测气体种类多、寿命长等优点脱颖而出,而电化学气体传感器则以灵敏度高、线性度等突出特点获得青睐。 

 

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针对室内空气的PM2.5粉尘检测

 

室内PM2.5主要来源于吸烟、炒菜时候的油烟以及不完全燃烧的煤气等情况,容易导致多种疾病,特别对于老人、儿童、婴儿或者是原本就有呼吸、心血管系统疾病的人伤害特别严重。传统的做法是开窗通风,在做饭时候使用抽油烟机强行排出粉尘气体。这些做法并不能确保室内空气的干净。

 


PM2.5粉尘传感器通过红外光在灰尘颗粒物的散射作用统计空气中的颗粒数量,可以灵敏检测直径1um以上的粒子,内置加热器可实现自动吸入空气,减少测量误差,并且体积小,易于安装使用。

 

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针对新车室内空气的检测

 

据调查,93.6%的新车室内空气污染严重超标,而车内空气污染源主要来自车体本身、装饰用材等,其中甲醛、二甲苯、苯等有毒物质污染后果最为严重,可能诱发癌变。


另一种屡见报端的车内危害气体,是被称为“沉默的杀手”的一氧化碳,其主要来源是汽车发动机和汽车尾气,因停车时开启空调而产生,若聚集于车内时,车内人员会因吸入这种无色无味的毒气而在不觉中中毒身亡。


采用适合的气体传感器,不仅可监测车内甲醛、二甲苯、苯等挥发性有机物,也可以监测车内一氧化碳浓度,起到安全预警的作用,提醒车主采取有效的改善措施,防止悲剧的发生。

 


在这些案例中,气体传感器能够尽责的完成检测任务,给用户提供准确的数据参考。但是还不止于此,基于这些精确数据的联动才是未来的发展方向,例如检测到室内甲醛或PM2.5超标,可及时联动排气系统或者负氧离子设备,改善室内空气质量;检测到家中燃气泄漏时,及时关闭阀门,同时打开排气系统,并发出报警通知用户与控制中心;检测到车内污染物即启动空调换气系统,消除危害等。 

 

气体传感器常见故障分析

 

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气体传感器使用多久后需要再校准?

 

最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素,通常包括传感器的使用温度、湿度、压力,被暴露于何种气体,及被暴露于气体的时间长短。

 

但大多数产品能在较长时间内提供非常稳定的信号,使用气体传感器只需要定期校准,如每年一次。如对传感器使用要求极高或用于安全应用,则校准工作可能需要相对频繁些。

 

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气体本身的温度与传感器的温度不同怎么办?

 

传感器自身的温度决定了其最低显示电流,而被测量气体样本的温度对此有一定的影响。气体分子通过细孔进入传感电极的速率决定了传感器的信号。

 

如果通过细孔的扩散气体温度和传感器内的气体温度不同,可能对传感器的敏感性造成一定的影响。在设备完成设置以前,可能会出现细微漂移或瞬间电流变化。

 

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气体传感器是否能被持续暴露于目标气体?

 

气传感器能断续监测目标气体,一般不适合连续监测用,特别是涉及到高气体浓度、高湿度或高温度时。

 

为达到连续监测的目的,有时可以用两个(甚至三个)传感器循环使用的方法,使得各个传感器最多只在半数时间内暴露于气体中,另一半时间则可在新鲜空气里得到恢复。 

 

气体传感器的未来发展方向

 

近年来,由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高,因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用,气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。


深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用,理解各类气体传感器的工作原理和作用机理,正确选择各类传感器的敏感材料,灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等,使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。

 


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新气敏材料与制作工艺的研究开发

 

对气体传感器材料的研究表明,金属氧化物半导体材料zn0,silo2,fe203等己趋于成熟化,特别是在c比,c2h5oh,co等气体检测方面。现在这方面的工作主要有两个方向:


一是利用化学修饰改性方法,对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理, 并对成膜工艺进行改进和优化,提高气体传感器的稳定性和选择性;


二是研制开发新的气体敏感膜材料,如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料,使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。


由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点,已成为研究的热点。

 

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新型气体传感器的研制

 

沿用传统的作用原理和某些新效应,优先使用晶体材料(硅、石英、陶瓷等),采用先进的加工技术和微结构设计,研制新型传感器及传感器系统,如光波导气体传感器、高分子声表面波和石英谐振式气体传感器的开发与使用,微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。


随着新材料、新工艺和新技术的应用,气体传感器的性能更趋完善,使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。 

 


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气体传感器智能化

 

随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视,对各种有毒、有害气体的探测,对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。


纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。 

 



气体传感器最新技术前瞻——超高灵敏度气体传感器

 

一个国际联合研究小组宣布,通过在石墨烯中加入硼原子的方式,他们开发出一种灵敏度极高的气体传感器。该装置能“嗅”出空气中浓度极低的有害气体,在人们还未察觉时发出警报。该研究还有助于改善锂离子电池和场效应晶体管的性能。

 


用石墨烯制成的气体传感器已具有很高灵敏度,但科学家们并不想止步于此,希望通过在石墨烯中掺入其他元素的方式让其性能得到进一步提升。

 

美国宾夕法尼亚州立大学物理学、化学和材料学教授莫里西欧·特伦斯经过不断更换掺入元素,成功合成了1厘米见方的高品质掺硼石墨烯片。为防止硼化合物暴露在空气后快速分解,他们研制中用到了类似起泡器的化学气相沉积系统。

 

核心部件制成后,被送往本田研究院的美国公司进行组装。2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学科学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫的实验室负责研究传感器的传输机制。此外,比利时、日本和中国的科学家也促成了这项研究。

 


测试显示,新的气体传感器能够探测到浓度极低的有害气体分子,如空气中含量为十亿分之一的氮氧化合物和百万分之一的氨气,灵敏度比单纯用石墨烯制成的气体传感器要分别高出27倍和1000倍。

 

负责此项研究的本田研究所首席科学家阿维迪克·哈瑞泰元认为,新方法开辟了一条制造超高灵敏度气体传感器的新途径。该技术未来极有可能突破1000的五次方分之一检出限,在灵敏度上,比目前最先进的气体传感器高6个数量级。

 

未来这种传感器有望在科学实验和工业中获得广泛的应用,无论是有毒有害气体、超标排放的汽车尾气,还是大气污染中的氮氧化合物都会在它面前一一显出原形。


- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。

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