智能气体传感器概述

作者：沈阳仪表科学研究院 徐开先

欢迎访问e展厅 展厅 3 液体/气体检测分析仪器展厅 气体分析仪, 水质检测仪, pH/ORP仪, 气体报警器, 余氯仪, ... 智能气体传感器目前尚无确切定义，通常是指具有智能功能的气体传感器。目前，智能气体传感器主要功能体现在：自校准、补偿环境变化对监测结果的影响、通信功能和对多个物理化学变量的同时监测。 智能气体传感器是应用 MEMS技术、厚膜气敏元件制造技术、厚膜混合集成电路技术、计算机神经网络模式识别技术和单片机应用等高新技术而完成的多功能气体传感器。与传统气体传感器相比，通过集成控制器 /处理器，使传感器具备逻辑功能、双向通信功能或者决策功能。 智能气体传感器按实现途径划分，最主要的类型是在检测系统中安装多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现智能化；按传感系统与外界信息交互作用方式，可分为无线传感网络式和有线传感网络式。 国内在智能气体传感器研究方面起步较晚，技术滞后。中国科学院合肥智能机械研究所应用厚膜气敏元件制造技术、厚膜混合集成电路技术、计算机神经网络模式识别技术和单片机应用等高新技术对智能气体传感器进行了研究。汉威电子在 NDIR红外气体传感器和电化学气体传感器方面有研究，并推出了智能红外甲烷气体传感器，用于可靠性、精度要求较高的石油、化工、冶金、电力等高端行业客户，也在煤矿瓦斯监测、暖通空调 CO2监测、环境监控分析等气体检测场所推广应用。 国外，纽约州立大学 Darold Wobschall研究了基于 IEEE1451协议族的多传感单元智能气体传感器。巴特纳大学的 Hakim Baha等人报道了基于神经网络的智能气体传感技术。图 1是全球气体传感器产品种类比例示意图。 智能气体传感器的实现方式 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，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。系统能够做到迅速准确识别气体性质，判断气体种类、感知气体信息，并传输信息至处理系统，判别危害程度，形成处置方案，传输至执行系统执行。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。 智能气体传感器要实现无线化，主要途径有： ●传感器通过 ZIGBEE将传感器连接形成无线传感器网络并集成到计算机。再通过计算机和 GPRS无线将信号发送到集中控制中心，进而通过互联网形成大的传感器网络。 ●在传感器上集成 RFID无线芯片，再通过 RFID无线芯片将信号直接传输到国家建设的专用无线传感器网络接收站，进而通过专用的互联网进行集成和连接，形成国家级的无线传感网络。 ●将传感器上集成具备 WI-FI功能的无线芯片，并通过各城市建设的 WI-FI网络直接连通互联网。 ●将传感器集成 GPRS无线芯片，通过 GPRS网络上传计算机，进而上传互联网形成传感器网络。 ●通过智能家庭的无线平台形成无线传感器网络。 智能气体传感器共性关键技术 ● 材料技术 对半导体、催化燃烧式气体传感器材料的研究表明，金属氧化物半导体材料 ZnO，SnO2，Fe2O3等己趋于成熟化，特别是在 CH4、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。 在世界范围内，实用化的电化学气体传感器目前仍以液态电解质做导电解质为主流，半固态、固态电化学元件生产技术还不够成熟。最主要的电化学气体传感器生产企业有英国城市技术公司和阿尔法公司、国内的河南汉威电子股份有限公司。目前电化学气体传感器材料技术发展的重点主要在电解液从液态向半固态、固态方向发展。 红外气体传感器的关键材料是光源和滤光片，目前主要的原材料供应商都集中在欧美地区，国内只有中科院上海技术物理研究所、中科院半导体研究所等少数科研单位能够生产符合要求的材料。 ● 设计技术 智能气体传感器的设计目标包括：能同时完成对多种气体的自动监测；监测结果与外部的实时通讯；监测结果自动用于决策处理过程；针对多变的应用领域，设计多样化的智能气体传感器，满足特殊应用的需求等。 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。智能气体传感器的设计技术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。 ● 工艺、制备技术 在气体传感器技术领域，针对红外光学式、电化学式、催化燃烧式、半导体式等多种类型的气体传感器等，气体传感器的制造工艺很多。但针对气体传感器的特性、材料，采用微电子机械技术（MEMS）将是智能气体传感器发展的趋势。微电子机械技术是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。 微电子机械技术是以微电子技术和微加工技术为基础的一种新技术，分为体微机械技术、表面微机械技术和 X射线深层光刻电铸成型（ LIGA）技术。体微机械技术加工对象以硅单晶为主，加工厚度几十至数百微米，关键技术是腐蚀技术和键合技术，优点是设备和工艺简单，但可靠性差；表面微机械技术利用半导体工艺，如氧化、扩散、光刻、薄膜沉积、牺牲层和剥离等专门技术进行加工，厚度为几微米，优点是与IC工艺兼容性好，但纵向尺寸小，无法满足高深宽比的要求，受高温的影响较大； LIGA技术采用传统的X射线曝光，厚光刻胶作掩膜，电铸成型工艺，加工厚度达到数微米至数十微米，可实现重复精度很高的大批量生产。 将微电子机械技术用于未来智能气体传感器的制备工艺，主要涵盖两个层面的含义：（ 1）已有气体传感器移植到微电子机械技术领域；（ 2）基于微电子机械技术，开发具有新原理、新功能的智能气体传感元件和系统。 ● 结构、封装技术 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。 ● 应用技术 气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。 气体传感器的应用领域非常广泛，涉及大气污染、工业废气的监测、食品和居住环境质量的检测、医疗诊断等领域。不同的应用领域，需要开发传感特性满足应用要求的气体传感器。系统开展针对不同应用领域气体传感器的传感原理、灵敏度、选择性、稳定性、干扰排除、进样方式、量程、测量方式等方面的研究，具有重要现实意义。 ● 标淮化技术 与“互联网”标准化技术类似，应用于“物联网”的智能气体传感器也要实现标准化，以满足与外部对象双向通信的需要。智能气体传感器的标准化涵盖硬件标准化、软件控制标准化、通信数据标准化等方面的内容。基于各种现场总线技术的智能传感器具有种类繁杂的智能传感器接口。 IEEE陆续推出了 IEEE 1451协议族，提出了统一的传感器接口和传感器的自描述模型，解决了智能化传感器的兼容性、互换性和互操作性等问题。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/10/2012)