气体传感器在智能家居中的应用

史媛 冯玉华 张俊莲

摘 要：一般家庭厨房烹调热源有煤气、天然气、石油液化气等，因为这些可燃气体的泄露、點火失误等原因，造成爆炸、火灾和中毒死伤事故时有发生。为了保障生命和财产安全，要对厨房可燃气体泄露进行检测和报警。

关键词：气体传感器、环境监测、智能家居

1 引言

在现代家居环境中，对环境量的检测和控制正得到越来越广泛的重视和应用。空气的质量与人类的日常生活密切相关，对气体的检测是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段。日常生活中人们往往会接触到各种各样的气体，需要滴它们进行检测与控制，这些气体有许多是易燃、易爆的气体，如氢气、一氧化碳、氟利昂、煤气、天然气、液化石油气等。对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着及其重要的作用。

气体传感器是一种把气体（多数为气体）中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号的器件，以便提供有关待测气体的存在和浓度大小的信息。为防止常用气体燃料如煤气（H2、C0等）、天然气（CH4等）、液化石油气（C3H8、C4H10等）、C0等气体泄露引起中毒、燃烧或爆炸，应用可燃性气体传感器配上适当电路制成报警器。目前在报警器上大都使用Sn02气体传感器。但在湿度较大的场合，如厨房等，宜使用α-Fe203气体传感器为核心的报警器，因为这类传感器对湿度敏感性小，稳定性较好。

气体传感器在家电中除用于可燃气泄露报警、换气扇、抽油烟机的自动控制外，也用于微波炉、燃气炉等家用电器中。在微波炉中常选用Sn02气体传感器，气体传感器测量出从食品中发出气体的浓度，可根据事先对不同食品的特性，选择负载电阻，实现烹调的自动控制。在燃气炉中常使用Zr02气体传感器测量燃空比。

2 半导体型气体传感器

半导体型气体传感器是利用半导体气敏器件同气体接触，造成半导体性质变化，用来检测气体的成分或浓度的气体传感器。半导体型气体传感器大体可分为电阻式和非电阻式俩大类。电阻式半导体气体传感器用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制成敏感器件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。目前有多孔质烧结体、厚膜式和正在研制的薄膜式等几种非电阻式半导体传感器。

2.1 表面电阻控制型气体传感器

表面电阻控制型气体传感器表面电阻的变化，取决于表面原来吸附气体与半导体材料之间的电子交换。通常器件工作在空气中，在空气中的O2和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，其结果表现为N型半导体材料的表面空间电荷区域的传导电子减少，使表面电导率减少，从而使器件处于高阻状态。一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的几个电子释放出来，使敏感膜表面电导增加，使器件电阻减少。这种类型的传感器多数是以可燃性气体为检测对象，但如果吸附能力强，即使是非可燃性气体也能作为检测对象。其具有检测灵敏度高、响应速度快等优点。

2.2 体电阻控制型气体传感器

体电阻控制型气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器件。很多氧化物半导体因为化学计量比偏离，即组成原子数偏离整数比的情况，如Fe1-xO、Cu2-xO或SnO2-x、ZnO1-x、TiO2-x。前者为缺金属型氧化物，后者为缺氧型氧化物，统称非化学计量化合物。它们是不同价态金属的氧化物构成的固溶体，其中x值由温度和气相氧分压决定。因为氧的进出使晶体中晶格缺陷（结构组成）发生变化，电导率随之发生变化。缺金属型为生成阳离子空位的P型半导体，氧分压越高，电导率越大。与此相反，缺氧型氧化物为生成晶格间隙阳离子或生成氧离子缺位的N型半导体，氧分压越高，电导率越小。体电阻控制型气敏器件，因须和外界氧分压保持平衡，或受还原性气体的还原作用，致使晶体中的结构缺陷发生变化，随之体电阻变化。这种变化也是可逆的，当待测气体脱离后气敏器件又恢复原状。其检测对象主要有液化石油气、煤气和天然气。

2.3 非电阻式气体传感器

非电阻式气体传感器主要有二极管、FET、电容型几种。二极管型气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导体的界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成的，如Pd/Ti、Pd/ZnO之类二极管可用于对H2的检测。FET型气体传感器是将MOSFET或MISFET中金属栅采用Pd等金属膜，根据栅压域值的变化来检测未知气体。初期的FET型传感器以测H2为主，近年来已制成H2S、NH3、CO等FET型气体传感器。最近又发展了ZrO2、LaF固体电解质膜、锑酸质子导电体厚膜型的FET气体传感器。CaO-BaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化其静电容量有很大变化。该元件加热到419℃时，课测定CO2浓度范围（0.05%-2%）。其优点是选择性好，很少受CO、CH4、H2等气体干扰，不受湿度干扰，有良好前景。

3 接触燃烧式气体传感器

一般讲在空气中达到一定浓度、触及火种可引起燃烧的气体称为可燃性气体，如甲烷、乙炔、甲醇、乙醇、乙醚、一氧化碳、氢气等都是可燃性气体。接触燃烧式气体传感器是将金属线圈埋设在氧化催化剂中构成。使用时对金属线圈通以电流，使之保持在300-600℃的高温状态，同时将元件接入电桥电路中的一个桥臂，调节桥路使其平衡。一旦有可燃性气体与传感器表面接触，燃烧热进一步使金属丝升温，造成元件阻值增大，从而破坏了电桥的平衡。其输出的不平衡电流或电压与可燃烧气体浓度成比例，检测出这种电流或电压就可测得可燃性气体的浓度。

4 结束语

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，生物和这种材料的特性及相互作用，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。

参考文献：

[1]姜树杰，气体传感器在煤矿安全生产中的应用. 天津职业院校联合学报，2014，11

[2]王红勤、杨修春、蒋丹宇，电阻型半导体气体传感器的概况.陶瓷学报，2011，1

[3]窦仁超、孙立臣、六兴悦，气体传感器在国外航天器上的应用.仪器仪表学报，2016，5

[4]赵艳艳，传感器技术及应用.高等教育出版社，2019，11