气敏传感器的研究进展与展望

赵港庆

【摘 要】给出了气敏传感器的一些基本工作原理，对气敏传感器进行了简单的分类，并对传感器的一些基础特性进行了介绍，从气敏材料的发展角度，对气敏传感器的现状进行了研究分析。简单介绍了基于气敏传感器理论的电子鼻在中医药上的应用，最后，对气体传感器进行了展望，总结了气敏传感器可能的发展方向。

【关键词】气敏传感器;电子鼻;传感器;综述;气体检测

一、引言

我国国民经济发展迅速，在工业领域也取得了傲人的成绩，取得成绩的同时随之而来的便是环境的破坏。其中大气污染就是环境污染的一部分，由于废气的处理不当已经造成了诸多环境问题。例如全球气候变暖、臭氧层被破坏、酸雨等[1]。传感器作为一种检测装置已经有了几十年的发展历史，可实现的功能多种多样，其中可实现气体浓度以及成分的传感器叫做气敏传感器，到现在气敏传感器成为了众多研究人员的科研课题[2，3，4，5，6]。

本文综述了气敏传感器的起源及其基础知识，依据气敏材料对气敏传感器的研究现状进行了综述，同时介绍了电子鼻技术的起源，还有现代电子鼻技术的研究进展，并且对未来气敏传感器的研究进行了展望。

二、气体传感器的发展

气体传感器根据工作原理可以分为光学类，热学类、电化学类、还有其他这几类，下面按照这几种类别分别进行简单介绍[7]。

电化学类：这类气体传感器是根据被测气体的电化学活性，用电化学氧化或者还原，从而可以分辨出气体成分，还有一部分是检测气体浓度的。常见的类型为原电池型传感器。这种种的工作原理类似于燃烧电池。截至到现在，电化学传感器已经发展到了相对成熟的地步，其常用作有毒、有害气体的检测。

光学类：光学类气体传感器虽然起步较晚但是发展迅速，工业中常用的主要有光散式分析仪、光电比色式分析仪、紫外线分析仪等。光散式分析仪是利用气体和光束颗粒相互作用产生散射来进行气体浓度和不透明度测量的，主要应用与环境排放监测。光电比色分析仪根据比尔定律实现自动光电比色测量的，多用来测量二氧化硫，一氧化氮。

热学类：热学式气体传感器主要有两类，热导式和热化学式。前者式利用气体热导率通过热敏元件电阻变化来测量一种或者集中气体浓度，其在工业已经应用了数年。

除了上面我所介绍的三种原理传感器外，还有一些其他的传感器，如金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。这类传感器叫做半导体式传感器，还有光干涉原理制成的传感器。

三、气敏传感器的主要特性[9]

（一）初期稳定特性

电阻式气敏器件在工作中有一定的温度要求，这主要靠加热来满足，不同元件在加热过程中，经过一段过渡性变化后才达到稳定基阻值。元件本身只有达到初始稳定状态后才能用于气体检测。

（二）响应复归特性

达到初始稳定状态的气敏元件在一定浓度的待测气体中阻值变化的快慢，称为该元件的响应速度特性。元件脱离待测气体到洁净气体中，其阻值恢复到基阻值的快慢，称为响应复归特性。

四、气敏传感器研究现状

我国自1995年开展气敏传感器的研究以来，对其研究逐渐活跃起来，特别是以In2O3材料为代表的研究，所涉及的气体也渐渐趋于多样化。近年来由于模式识别算法的发展，电子鼻技术渐渐兴起。

（一）基于敏感材料的研究

从表中可以看出气敏材料各种各样，气敏材料与气体作用方式也具有多样性，其作用条件也具有限制，因此不能给这类气敏传感器一个统一的理论解释。

郑州大学的薛万[11]研究了SnO2敏感体在多种情况下对各种气体的敏感特性，为了提高利用率，他采用水热路线，制备出了SnO2纳米棒，经过实验发现纳米棒在260摄氏度工作温度下对10ppm的酒精表现出10.8的高灵敏度。用低温沉淀法制备了含有丰富n-In2O3/n-SnO2异质结的In/Sn复合物，In3+的浓度在特定条件 同时满足200摄氏度的工作温度时对20ppm的甲醇具有高达13.2的灵敏度。GuCP等[12]通过水热法实现了孔径为50nm，且长度为9微米的单晶体纳米线。将样品做成传感器，发现对若干种有机蒸汽的灵敏度极高，响应时间短，速度快的特点。ZhangJ.等[13]通过水热法和煅烧制除了多级ZnO结构，其对乙醇蒸汽显示了良好气敏性能。

LiJ等[14]利用硝酸锌和尿素产出了碱式碳酸锌前驱体，400摄氏度的煅烧的到多孔ZnO，制备的纳米结构ZnO对低浓度的丙酮有可观的灵敏度，响应时间与恢复时间都低于30S.Verma等[15]通过将CuO与SnO2合成制备多孔CuO-SnO2结构，实现数据显示此结构对硫化氢具有高灵敏度，高信号强度比纳米SnO2高两个数量级，所需温度条件较低，响应时间也更短。除了这种氧化铜结构，还有N复合型SnO2材料具有相似优良特性

Li等[16]用水热法合成CuO，可以在室温进行气体检测且检测限低于10ppb。Huo等以纳米网状氧化镍作为材料，可以在92攝氏度的条件实现100ppm范围内硫化氢气体的检测。这类传感器的优点归功于氧化镍的别哦面积高于大孔径，有利于气体分子的吸附与电子转移。同理，参杂别的金属也可以提高其灵敏度。比如WO3、ZnO、In2O3等4种金属氧化物。

Donato等[17]采用（LAL）法制备纳米In2O3水溶胶体，然后将其制作成电化学式传感的衬底。在50摄氏度的环境下测得此传感器对CO的检测极限分辨率为2ppm，由此，他们认为良好的传感特性必定是归因于纳米结构特性。Singh等[18]进一步缩小了材料颗粒的粒子半径，缩小到了5nm，但是此次研究并不能说明二者关系，仅证明了5nm的尺寸有较高的敏感特性。

Sang Kyoo Lim等[19]人通过煅烧静电纺丝法制作出了孔状氧化铟纳米纤维，具有高表面积比的特性，他们证实了在400摄氏度的条件下，此材料对CO的灵敏特性最为剧烈。此类方法简单易行，具有高实用价值。

（二）电子鼻技术的研究

关于电子鼻的开创，可以追溯到20世纪，20世纪60年代Moncrieff制[21]作出了一种气体检测装置。在1962年瑞典举行了学术交流会[22]，推动了此项技术的发展，在1964年两位科学家[23]根据氧化还原反应制作出了第一个嗅觉模拟器。Buck等[24]利用金属和半导体制作出了半导体传感器。但是“电子鼻”直到近代才出现这个概念。

现代电子鼻的技术集中应用于食品、药材、科学研究[25]等领域，在近几年的研究中电子鼻技术得到飞速发展，zheng[26]和liu[27]等人利用模式识别技术结合电子鼻，成功区分了来自不同产地的中药材。来自哈尔滨工业大学的高翔[28]将单一气体传感器进行组合，用二氧化碳、氧气、一氧化碳和甲醛四个不同传感器聚合协同工作，实现室内空气浓度质保的检测。用基于 ARM Cortex-M4 架构模式的 32 位微处理器 STM32F4，作为检测系统的控制器通过构建4个3层CP神经网络和有效训练降低误差，还设计了一种气体交叉干扰方程，通过拟合数据处理来提高精度。

邹慧琴[29]等试图建立中药气味指纹图谱，通过不同的分类器建立判别模型，最后用回判的方法进行验证。崔等[30]采用主成分分析法对两种气味进行区分，采用GC技术鉴定了两种特异成分。Ren等[31]通过电子鼻获取菊花信息，利用PCA和DFA对不同菊花品种进行了精确的区分。蔡泳等[32]对中药不同时期的气味指纹进行分析，上述相同的方法分析发现可分为明显两类，以十月为时间界限。

五、小结与展望

气体传感器作为一个重要现代技术，必定会持续发展，在未来的工业现代化大展身手，目前单一气体检测的气敏传感器已经发展到一个相当可观的地步。原件逐渐缩小，灵敏度也不断加强。现代单一气体传感器主要作用体现在气体浓度以及成分的检测上，电子鼻技术是一种现代的仿生技术，其理论基础来源于气敏传感器，其只不过是气敏传感器阵列的衍生。近年来的应用体现在医疗、医药、科学研究等。

气敏传感器主要借助于半导体技术的发展，其结构逐渐从单一功能到多功能演变。传感器与信号电路相结合，实现芯片化封装，可以使气敏传感器的功能更全面，例如可以寻找气体源头。电子鼻技术也可以称及其嗅觉技术仍然是未来发展的一個重要部分，其结合了气敏传感器技术与计算机信息处理以及模式识别技术，可以有效监测气体成分，类似人体嗅觉，实现盲选。

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