氣敏傳感器的研究進展與展望

趙港慶

【摘 要】給出了氣敏傳感器的一些基本工作原理，對氣敏傳感器進行了簡單的分類，并對傳感器的一些基礎特性進行了介紹，從氣敏材料的發展角度，對氣敏傳感器的現狀進行了研究分析。簡單介紹了基于氣敏傳感器理論的電子鼻在中醫藥上的應用，最后，對氣體傳感器進行了展望，總結了氣敏傳感器可能的發展方向。

【關鍵詞】氣敏傳感器;電子鼻;傳感器;綜述;氣體檢測

一、引言

我國國民經濟發展迅速，在工業領域也取得了傲人的成績，取得成績的同時隨之而來的便是環境的破壞。其中大氣污染就是環境污染的一部分，由于廢氣的處理不當已經造成了諸多環境問題。例如全球氣候變暖、臭氧層被破壞、酸雨等[1]。傳感器作為一種檢測裝置已經有了幾十年的發展歷史，可實現的功能多種多樣，其中可實現氣體濃度以及成分的傳感器叫做氣敏傳感器，到現在氣敏傳感器成為了眾多研究人員的科研課題[2，3，4，5，6]。

本文綜述了氣敏傳感器的起源及其基礎知識，依據氣敏材料對氣敏傳感器的研究現狀進行了綜述，同時介紹了電子鼻技術的起源，還有現代電子鼻技術的研究進展，并且對未來氣敏傳感器的研究進行了展望。

二、氣體傳感器的發展

氣體傳感器根據工作原理可以分為光學類，熱學類、電化學類、還有其他這幾類，下面按照這幾種類別分別進行簡單介紹[7]。

電化學類：這類氣體傳感器是根據被測氣體的電化學活性，用電化學氧化或者還原，從而可以分辨出氣體成分，還有一部分是檢測氣體濃度的。常見的類型為原電池型傳感器。這種種的工作原理類似于燃燒電池。截至到現在，電化學傳感器已經發展到了相對成熟的地步，其常用作有毒、有害氣體的檢測。

光學類：光學類氣體傳感器雖然起步較晚但是發展迅速，工業中常用的主要有光散式分析儀、光電比色式分析儀、紫外線分析儀等。光散式分析儀是利用氣體和光束顆粒相互作用產生散射來進行氣體濃度和不透明度測量的，主要應用與環境排放監測。光電比色分析儀根據比爾定律實現自動光電比色測量的，多用來測量二氧化硫，一氧化氮。

熱學類：熱學式氣體傳感器主要有兩類，熱導式和熱化學式。前者式利用氣體熱導率通過熱敏元件電阻變化來測量一種或者集中氣體濃度，其在工業已經應用了數年。

除了上面我所介紹的三種原理傳感器外，還有一些其他的傳感器，如金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料制成的檢測元件，與氣體相互作用時產生表面吸附或反應，引起載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化而進行氣體濃度測量的。這類傳感器叫做半導體式傳感器，還有光干涉原理制成的傳感器。

三、氣敏傳感器的主要特性[9]

（一）初期穩定特性

電阻式氣敏器件在工作中有一定的溫度要求，這主要靠加熱來滿足，不同元件在加熱過程中，經過一段過渡性變化后才達到穩定基阻值。元件本身只有達到初始穩定狀態后才能用于氣體檢測。

（二）響應復歸特性

達到初始穩定狀態的氣敏元件在一定濃度的待測氣體中阻值變化的快慢，稱為該元件的響應速度特性。元件脫離待測氣體到潔凈氣體中，其阻值恢復到基阻值的快慢，稱為響應復歸特性。

四、氣敏傳感器研究現狀

我國自1995年開展氣敏傳感器的研究以來，對其研究逐漸活躍起來，特別是以In2O3材料為代表的研究，所涉及的氣體也漸漸趨于多樣化。近年來由于模式識別算法的發展，電子鼻技術漸漸興起。

（一）基于敏感材料的研究

從表中可以看出氣敏材料各種各樣，氣敏材料與氣體作用方式也具有多樣性，其作用條件也具有限制，因此不能給這類氣敏傳感器一個統一的理論解釋。

鄭州大學的薛萬[11]研究了SnO2敏感體在多種情況下對各種氣體的敏感特性，為了提高利用率，他采用水熱路線，制備出了SnO2納米棒，經過實驗發現納米棒在260攝氏度工作溫度下對10ppm的酒精表現出10.8的高靈敏度。用低溫沉淀法制備了含有豐富n-In2O3/n-SnO2異質結的In/Sn復合物，In3+的濃度在特定條件 同時滿足200攝氏度的工作溫度時對20ppm的甲醇具有高達13.2的靈敏度。GuCP等[12]通過水熱法實現了孔徑為50nm，且長度為9微米的單晶體納米線。將樣品做成傳感器，發現對若干種有機蒸汽的靈敏度極高，響應時間短，速度快的特點。ZhangJ.等[13]通過水熱法和煅燒制除了多級ZnO結構，其對乙醇蒸汽顯示了良好氣敏性能。

LiJ等[14]利用硝酸鋅和尿素產出了堿式碳酸鋅前驅體，400攝氏度的煅燒的到多孔ZnO，制備的納米結構ZnO對低濃度的丙酮有可觀的靈敏度，響應時間與恢復時間都低于30S.Verma等[15]通過將CuO與SnO2合成制備多孔CuO-SnO2結構，實現數據顯示此結構對硫化氫具有高靈敏度，高信號強度比納米SnO2高兩個數量級，所需溫度條件較低，響應時間也更短。除了這種氧化銅結構，還有N復合型SnO2材料具有相似優良特性

Li等[16]用水熱法合成CuO，可以在室溫進行氣體檢測且檢測限低于10ppb。Huo等以納米網狀氧化鎳作為材料，可以在92攝氏度的條件實現100ppm范圍內硫化氫氣體的檢測。這類傳感器的優點歸功于氧化鎳的別哦面積高于大孔徑，有利于氣體分子的吸附與電子轉移。同理，參雜別的金屬也可以提高其靈敏度。比如WO3、ZnO、In2O3等4種金屬氧化物。

Donato等[17]采用（LAL）法制備納米In2O3水溶膠體，然后將其制作成電化學式傳感的襯底。在50攝氏度的環境下測得此傳感器對CO的檢測極限分辨率為2ppm，由此，他們認為良好的傳感特性必定是歸因于納米結構特性。Singh等[18]進一步縮小了材料顆粒的粒子半徑，縮小到了5nm，但是此次研究并不能說明二者關系，僅證明了5nm的尺寸有較高的敏感特性。

Sang Kyoo Lim等[19]人通過煅燒靜電紡絲法制作出了孔狀氧化銦納米纖維，具有高表面積比的特性，他們證實了在400攝氏度的條件下，此材料對CO的靈敏特性最為劇烈。此類方法簡單易行，具有高實用價值。

（二）電子鼻技術的研究

關于電子鼻的開創，可以追溯到20世紀，20世紀60年代Moncrieff制[21]作出了一種氣體檢測裝置。在1962年瑞典舉行了學術交流會[22]，推動了此項技術的發展，在1964年兩位科學家[23]根據氧化還原反應制作出了第一個嗅覺模擬器。Buck等[24]利用金屬和半導體制作出了半導體傳感器。但是“電子鼻”直到近代才出現這個概念。

現代電子鼻的技術集中應用于食品、藥材、科學研究[25]等領域，在近幾年的研究中電子鼻技術得到飛速發展，zheng[26]和liu[27]等人利用模式識別技術結合電子鼻，成功區分了來自不同產地的中藥材。來自哈爾濱工業大學的高翔[28]將單一氣體傳感器進行組合，用二氧化碳、氧氣、一氧化碳和甲醛四個不同傳感器聚合協同工作，實現室內空氣濃度質保的檢測。用基于 ARM Cortex-M4 架構模式的 32 位微處理器 STM32F4，作為檢測系統的控制器通過構建4個3層CP神經網絡和有效訓練降低誤差，還設計了一種氣體交叉干擾方程，通過擬合數據處理來提高精度。

鄒慧琴[29]等試圖建立中藥氣味指紋圖譜，通過不同的分類器建立判別模型，最后用回判的方法進行驗證。崔等[30]采用主成分分析法對兩種氣味進行區分，采用GC技術鑒定了兩種特異成分。Ren等[31]通過電子鼻獲取菊花信息，利用PCA和DFA對不同菊花品種進行了精確的區分。蔡泳等[32]對中藥不同時期的氣味指紋進行分析，上述相同的方法分析發現可分為明顯兩類，以十月為時間界限。

五、小結與展望

氣體傳感器作為一個重要現代技術，必定會持續發展，在未來的工業現代化大展身手，目前單一氣體檢測的氣敏傳感器已經發展到一個相當可觀的地步。原件逐漸縮小，靈敏度也不斷加強?，F代單一氣體傳感器主要作用體現在氣體濃度以及成分的檢測上，電子鼻技術是一種現代的仿生技術，其理論基礎來源于氣敏傳感器，其只不過是氣敏傳感器陣列的衍生。近年來的應用體現在醫療、醫藥、科學研究等。

氣敏傳感器主要借助于半導體技術的發展，其結構逐漸從單一功能到多功能演變。傳感器與信號電路相結合，實現芯片化封裝，可以使氣敏傳感器的功能更全面，例如可以尋找氣體源頭。電子鼻技術也可以稱及其嗅覺技術仍然是未來發展的一個重要部分，其結合了氣敏傳感器技術與計算機信息處理以及模式識別技術，可以有效監測氣體成分，類似人體嗅覺，實現盲選。

【參考文獻】

[1]Frank Rck，Nicolae Barsan，and，Udo Weimar. Electronic Nose： Current Status and Future Trends[J]. Chemical Re- views，2008，108（ 2） ： 705-725.

[2]Zhang J，Liu X，Neri G，et al. Nanostructured Materials for Room-Temperature Gas Sensors[J]. Advanced Materials， 2016，28（ 5） ： 795-831

[3]黃敏桐.氣敏傳感器在工業和民用領域的應用[J].福建建材，2006：3

[4]張艷紅.基于網絡礦井人員定位系統設計與實現[D].湖南：湖南師范大學，2010.2017年以來。

[5]王洪月，臧向迪，李昱萱 . 淺析傳感器分類應用與發展前景 [J]. 南方農機，2017（13）：107，111.

[6]Smith ?E. ?Non-dispersive ?Infrared ?Gas ?Analysis ?has ?Benefited ?from ?Technical ?Development ?in Recent Years[J]. Laboratory Practice，1992， 41（12）： 15-16 、

[7]柯淋. 紅外氣體傳感器設計與實現[D].電子科技大學，2017.

[8]馬雙云. 氧化鎢納米線/多孔硅復合結構的制備及氣敏性能研究[D].天津大學，2014

[9]井云鵬.氣體傳感器研究進展[J].硅谷，2013，6（11）：11-13.

[10]張強，管自生.電阻式半導體氣體傳感器[J].儀表技術與傳感器，2006（07）：6-9.

[11]薛萬. 基于SnO_2及其復合材料的半導體氣體傳感器研究[D].鄭州大學，2019.

[12]GuCP，LiSS，HuangJR，etal，Preferential growth of long ZnO anaowires and its application in gas sensor[J] Sensors Actuators B，2013，177：453.

[13]ZhangJ，Wang s，Xu M，et al.Hierarchically porous ZnO architectures for gas sensor application[J].Cryst Growth Des，2009，9：3532

[14]Lij，FanH，JiaX.Multilayered ZnO nanosheets with 3D porous architectures：Synthesis and gas sensing application [J].J Phys Chem C，2010，114：14684

[15]Verma M K，Gupta V. Sens. Actuators B，2012，166 /167： 378 - 385.

[16]Li Z J，Wang N N，Lin Z J，Wang J Q，Liu W，Sun K，Wang Z G. ACS Appl. Mater. Interfaces，2016，8 （ 32） ：20962 - 20968

[17]Donato N ，Neri F ，Neri G ，et al. CO sensing devices based on indium oxide nanoparticles prepared by laser ablation in water[J]. Thin Solid Films，2011，520（ 3） ： 922-926.

[18]Singh V N ，Mehta B R ，Joshi R K ，et al. Size - dependent gas sensing properties of Indium Oxide nanoparticle layers[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2007，7（ 6） ： 1930.

[19]Lim S K ，Hwang S H ，Chang D ，et al. Preparation of mesoporous In2O3 nanofibers by electrospinning and their application as a CO gas sensor [J].Sensors and Actuators B： Chemical，2010，149（ 1） ： 28-33.

[20]殷勇. 嗅覺模擬技術[M]. 北京： 北京化學工業出版社，2005： 12-13.

[21]Gardner J W，Bartlett P N. Electronic Noses. Principles and Applications[J]. Meas Sci Technol，2000，11（ 7） ： 1087.

[22]Wilkens W F，Hartman J D. An Electronic Analog for the OlfactoryProcessesa[J]. J Food Sci，1964，29（ 3） ： 372-378.

[23]Buck T M，Allen F G，Dalton J V. Detection of chemical species by surface effects on metals and semiconductors[M]. Bell Telephone Laboratories，1965.

[24]Capelli L，Sironi S，Del Rosso R. Electronic noses for environmental monitoring applications[J]. Sensors，2014，14（ 11） ： 19979-20007.

[25]Zheng S，Ren W，Huang L. Geoherbalism evaluation of Radix Angelica sinensis based on electronic nose[J]. J Pharm Biomed Anal，2015，105： 101-106.

[26]Liu J，Wang W，Yang Y，et al. A Rapid Discrimination of Authentic and Unauthentic Radix Angelicae Sinensis Growth Regions by Electronic Nose Coupled with Multivariate Statistical Analyses[J]. Sensors，2014，14（ 11） ： 20134-20148

[27]高翔. 基于氣體傳感器陣列的室內空氣質量檢測系統設計與實現[D].哈爾濱工業大學，2017.

[28]鄒慧琴，拱健婷，趙麗瑩，等. 中藥砂仁“品與質”電子鼻判別模 型的建立[J]. 國際藥學研究雜志，2015，42（ 4） ： 513-518.

[29]Cui S，Wu J，Wang J，et al. Discrimination of American ginseng and Asian ginseng using electronic nose and gas chromatography-mass spectrometry coupled with chemometrics[J]. J Ginseng Res，2017，41 ：85-95.

[30]]任智宇. 電子鼻在菊花質量評價中的應用[D]. 北京： 北京中醫 藥大學，2016.

[31]蔡泳，王盛，黃孫娟，等. 基于金屬氧化物傳感器陣列電子鼻技術的不同采收期金櫻子氣味分析[J]. 中華中醫藥雜志，2011，26（ 6） ： 1433-1435.