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简单解析气体传感器技术、应用及市场方向

时间:2020-05-25 13:42来源:互联网 作者:郑州炜盛科技 点击:

  气体传感器技术  

从技术的角度分类,气体传感器主要可分为:半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、PID气体传感器、光化学型气体传感器、接触燃烧式气体传感器等。

半导体气体传感器适用面广,简单易用,在家用燃气检测、礼品、智能家电等领域大量应用,是目前气体传感器中应用最为广泛的品种。电化学气体传感器非常适合低浓度毒性气体检测,以及氧气和酒精等无毒气体的检测,目前主要应用在各种工业领域以及道路交通安全检测领域。催化燃烧式气体传感器适用于可燃气体检测,主要在煤矿领域检测瓦斯使用。红外气体传感器适用于检测甲烷、二氧化碳等气体,在目前的实际应用中以二氧化碳产品应用居多,主要应用在暖通空调与室内空气质量监控、工业过程及安全防护监控、农业及畜牧业生产过程监控等领域。PID传感器则主要用于极低浓度的挥发性气体检测(VOC)。

半导体气体传感器

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来,半导体气体传感器已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器,根据其气敏机制又可以分为电阻式和非电阻式两种。

电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器,是一种用金属氧化物薄膜(例如:Sn02,ZnO Fe203,Ti02等)制成的阻抗器件,其电阻随着气体含量不同而变化。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高。

非电阻式半导体气体传感器是二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其工作电流或电压随着气体含量而变化,主要检测氢和天然气等可燃性气体。其中,MOSFET气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如钮)接触发生反应,反应产物扩散到MOSFET的栅极,改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性,并可改变工作温度。MOSFET气体传感器灵敏度高,但制作工艺比较复杂,成本高。

电化学型气体传感器

电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数,市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器,近年来,又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数,和原电池式不同的是,需要由外界施加特定电压,除了能检测CO,NO,N02,02,S02等气体外,还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。

光学式气体传感器

光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等,主要以红外吸收型气体分析仪为主,由于不同气体的红外吸收峰不同,通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。这类传感器具有高抗振能力和抗污染能力,与计算机相结合,能连续测试分析气体,具有自动校正、自动运行的功能。

光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料,当VOC与荧光染料发生作用时,染料极性发生变化,使其荧光发射光谱发生位移。用光脉冲照射传感器时,荧光染料会发射不同频率的光,检测荧光染料发射的光,可识别VOC。

PID气体传感器

PID(Photo Ionization Detector)光离子传感器PID利用紫外光源将被测气体激发电离产生正、负离子。这些电离的微粒产生的电流经过检测器的放大,就能在仪表上显示ppm级的浓度。这些离子经过电极后很快就重新组合到一起变成原来的有机分子。在此过程中分子不会有任何损坏;PID不会“烧毁”也不用经常更换标样气体,这样一来,经过PID检测的气体仍可被收集做进一步的测定。

PID气体探测器能够检测极低浓度挥发性有机化合物(VOC)和其它有毒气体。尤其是对VOC的灵敏检测使其在应急事故检测中具有无可替代的作用。

催化燃烧式气体传感器

催化燃烧式传感器的工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下,可燃性在催化剂作用下氧化燃烧,电热丝由于燃烧而生温,从而使其电阻值发生变化。这种传感器对不燃烧气体不敏感,因而可以专门检测各种可燃气体,普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定,并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。

  气体传感器主要的应用领域  

气体传感器的应用领域可以划分为医疗,楼宇自动化,家庭,环境监测,石油,汽车以及工业制造领域。其中工业领域一直都是气体传感器最大的应用市场,如生产过程中的气体控制,管线气体泄漏检测等,其份额约占20%但预计增长速度将不及医疗领域应用。气体传感器主要的医疗应用是呼吸机和培养箱中氧气浓度的监测,以及环境中挥发性有机物(VOC)的监测。

气体传感器在民用领域的应用

 在住宅室内空气质量监测中,最需要监测的气体是CO2,人在不同CO2浓度的环境中的反应是不同的:

250-350PPM 室外环境空气正常背景

350-1000PPM 通风良好的室内环境

1000-2000PPM 糟糕空气,会产生犯困

2000-5000PPM 头疼、犯困,注意力减退,心跳加速,恶心

>5000PPM 造成永久大脑损伤,昏厥,甚至死亡

测量CO2,现在最可行的技术是非红外色散技术NDIR。随着IAQ(室内空气质量)法规的健全,未来几年内民用CO2模块的需求会从全球100万只猛增到1000万只,目前单价大约50美元。这将是一个巨大的市场机遇,但民用产品50美元的价格仍然嫌高,随着技术的进步,相信单价会进一步降低。

IAQ监测中氧气浓度也是一个重要的指标,特别是在农产品仓储领域,氧气浓度会显著影响农产品的呼吸作用进而影响其仓储品质。监测O2性价比最高的传感器目前还是电化学原理,具体还可细分为两种:氧电池传感器和氧气泵传感器。氧电池内部含铅,铅不断消耗产生电流,通过测量电流的大小而计算空气中的氧气浓度;氧气泵传感器不含铅,寿命可以达到5年以上,是民用IAQ仪表的理想选择。

还有一个不得不提的应用是甲醛和苯等室内有害气体的检测。甲醛主要来源于胶合板、粘合剂、油漆和涂料等装饰材料,长期接触会导致呼吸道疾病、新生婴儿染色体异常、白血病等,而苯主要由防水材料、油漆等材料散发出来,长时间接触会导致头痛、失眠、恶心,严重者甚至昏迷以致呼吸、循环衰竭而死亡。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。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。

气体传感器在大气环境监测中的应用

随着我国对环保的越来越重视,烟气排放监测和检测市场正在快速增长。

SO2和NO2是两种环境危害较大的污染气体,在煤炭和石油的燃烧过程中产生,是酸雨和雾霾的罪魁祸首,因此需要严格监控。如果烟气中的SO2和NO2排放超过100mg/m^3即为不达标,需要安装脱硫和脱硝(即脱氮氧化物)的设备。

现在国家环保局所认可的,分析SO2的方法有非色散红外吸收法(即NDIR)、碘量法和定电位电解法。分析NO2的方法是紫外分光光度法和盐酸萘乙二胺分光光度法。简单的说,在CEMS(烟气连续测量)实时监测中,光学方法(红外或紫外)是唯一可以使用的方法,电化学方法虽然可以使用,但由于寿命的原因而只能用在便携式检测仪中,不能连续测量,也就不能用于CEMS。

在过去的十年,CEMS发展迅猛,国外的供应商有ABB、西门子和岛津公司,国内比较著名的有聚光科技、凯尔科技、雪迪龙等。测量单气种的单台设备采购价就大约10万元人民币。

相比而言不针对连续测量的烟气分析仪就要便宜许多。烟气分析仪所用的传感器基本上都是电化学原理的,这是由电化学传感器的优点所决定的:体积小、耗电省、重量轻、精度高、电路简单、价格便宜。但电化学传感器也有一个致命的弱点,导致它只能用在便携表内,而不能用在CEMS中,那就是内部的水分会挥发,寿命会因此而缩短。不过即使隔一两年需要更换传感器,但总体使用成本还是比光学设备便宜很多,使用也方便很多。烟气分析仪内所使用的电化学传感器包括:SO2、NO、NO2、CO、O2。如果要测CO2,就需要NDIR的红外传感器。烟气分析仪所需的传感器,基本上都由欧洲的厂家在提供,如TESTO、MRU、RBR、BACHARACH、SYSTRONIK等。

气体传感器在商业领域的应用

气体传感器在商业领域最大的应用市场要数冷库——具体而言是冷库的制冷氨检测。随着我国农业和畜牧业的发展,我国冷库的吨位已经超过1000万吨,但美国的冷库超过2200万吨,但美国的人口只有我们的四分之一。由此可见,我国的冷库建设力度还会继续加大,据估计,在未来5年,每年都会以30%的吨位增长。冷库最主要的制冷剂就是氨气,因为它高效,价格相对较低,所以被大量使用。但氨气如果储存不当发生爆炸或者泄漏都会对人造成严重伤害,所以必须对冷库中的氨气浓度严格检测。

到目前为止,电化学原理的氨气传感器还是首选。氨气传感器的单价在1000元上下,全中国年需求量在5万只左右。

气体传感器在汽车领域的应用

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。对于车内的使用需求,目前已有多款中高端车型配备了与空调系统联动的半导体气体传感器,而后装市场的车内气体污染检测产品更是品种繁多,不胜枚举。

在这些具体的应用案例中,气体传感器能够完成检测任务,提供气体数据。但是除这些基本功能之外,基于这些精确数据的联动才是气体传感器未来的发展方向,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。另外,如果互动系统完全是由一家企业提供,无论是空气检测标准,还是联动启动标准都是一致的,但当系统由不同企业设备,采用不同传感器组成时,检测标准、联动标准需要统一。而未来家居、可穿戴等智能化市场,用户更希望自由的选择厂商品牌设计。如此,如何建立统一的检测标准对任何一家传感器厂商都非常有意义。

  气体传感器发展方向  

和其它传感器一样,气体传感器发展的趋势也是微型化、智能化和多功能化。纳米、薄膜技术等新材料制备技术的成功应用为气体传感器实现新功能提供了条件。利用MEMS技术帮助实现传感器尺寸小型化,进而研究多气体传感器的集成以实现多功能化。而气体传感器与数字电路的集成则将成为实现智能化的必然途径。

环境监测需求推动气体传感器市场

空气污染近年来成为困扰人们生活的一大重要问题。空气质量的好坏严重影响着生活质量和工作效率,由此催生人们对于空气质量检测的需求持续高涨。另外,根据今年发布的中国制造2025产业规划,中国的传统工业在未来几年内将面临着一场信息化与自动化的产业大升级,而气体传感器在这一过程中无疑将扮演更加重要的角色。随着MEMS技术的进步,气体传感器也在向微型化、集成化、智能化的方向发展转化,伴随智慧家庭和智能穿戴等潜力市场的成长,必然不断会有新的气体传感器市场出现。可以说,气体传感器在工业和消费两大市场都已经做好了腾飞的准备。

二氧化碳传感器在全球气体传感器的总产值中占有大概25%的比例。二氧化碳传感器的一大市场推动力源自于对食物腐败的早期检测(食物腐败会释放二氧化碳);全球对于节能减排和清洁能源的呼吁对二氧化碳传感器市场将带来两方面的影响,一方面,严格的排放检测会推动CO2传感器市场的增长;另一方面,清洁能源逐步替代矿石能源,又将使得其工业市场表现可能会不如预期。

预计氮氧化物(NOx)传感器将成为增长速度最快的气体传感器,2014-2020的复合增长率将达到6.2%。NOx传感器之所以能实现高速增长,主要归功于汽车废气检测的巨大需求。类似的,氧气传感器也可以用于汽车废气检测,测量废气中氧气含量从而评估发动机性能,氧气传感器产值约占总市场的10%。

 

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