發布日期：2022-10-09 點擊率：68
智能氣體傳感器目前尚無確切定義，通常是指具有智能功能的氣體傳感器。目前，智能氣體傳感器主要功能體現在：自校準、補償環境變化對監測結果的影響、通信功能和對多個物理化學變量的同時監測。
智能氣體傳感器是應用 MEMS技術、厚膜氣敏元件制造技術、厚膜混合集成電路技術、計算機神經網絡模式識別技術和單片機應用等高新技術而完成的多功能氣體傳感器。與傳統氣體傳感器相比，通過集成控制器 /處理器，使傳感器具備邏輯功能、雙向通信功能或者決策功能。
智能氣體傳感器按實現途徑劃分，最主要的類型是在檢測系統中安裝多個氣體傳感器，再配置相應處理電路來實現智能化；按傳感系統與外界信息交互作用方式，可分為無線傳感網絡式和有線傳感網絡式。
國內在智能氣體傳感器研究方面起步較晚，技術滯后。中國科學院合肥智能機械研究所應用厚膜氣敏元件制造技術、厚膜混合集成電路技術、計算機神經網絡模式識別技術和單片機應用等高新技術對智能氣體傳感器進行了研究。漢威電子在 NDIR紅外氣體傳感器和電化學氣體傳感器方面有研究，并推出了智能紅外甲烷氣體傳感器，用于可靠性、精度要求較高的石油、化工、冶金、電力等高端行業客戶，也在煤礦瓦斯監測、暖通空調 CO2監測、環境監控分析等氣體檢測場所推廣應用。
國外，紐約州立大學 Darold Wobschall研究了基于 IEEE1451協議族的多傳感單元智能氣體傳感器。巴特納大學的 Hakim Baha等人報道了基于神經網絡的智能氣體傳感技術。圖 1是全球氣體傳感器產品種類比例示意圖。
智能氣體傳感器的實現方式
將氣體傳感器陣列與計算機技術相結合，組成智能氣體探測系統，系統由氣敏陣列、信號處理系統和輸出系統組成。采用多個具有不同敏感特性的氣敏元件組成陣列，利用神經網絡模式識別技術對混合氣體進行氣體識別和濃度監測。系統能夠做到迅速準確識別氣體性質，判斷氣體種類、感知氣體信息，并傳輸信息至處理系統，判別危害程度，形成處置方案，傳輸至執行系統執行。同時，將常見有毒、有害、易燃氣體的種類、性質、毒性輸入計算機，并根據氣體的性質編制事故處置預案輸入計算機。當泄漏事故發生后，智能氣體探測系統將按下面程序工作：進入現場→吸附氣體樣品→氣敏元件產生信號→計算機識別信號→計算機輸出氣體種類、性質、毒性及處置方案。
智能氣體傳感器要實現無線化，主要途徑有：
●傳感器通過 ZIGBEE將傳感器連接形成無線傳感器網絡并集成到計算機。再通過計算機和 GPRS無線將信號發送到集中控制中心，進而通過互聯網形成大的傳感器網絡。
●在傳感器上集成 RFID無線芯片，再通過 RFID無線芯片將信號直接傳輸到國家建設的專用無線傳感器網絡接收站，進而通過專用的互聯網進行集成和連接，形成國家級的無線傳感網絡。
●將傳感器上集成具備 WI-FI功能的無線芯片，并通過各城市建設的 WI-FI網絡直接連通互聯網。
●將傳感器集成 GPRS無線芯片，通過 GPRS網絡上傳計算機，進而上傳互聯網形成傳感器網絡。
●通過智能家庭的無線平臺形成無線傳感器網絡。
智能氣體傳感器共性關鍵技術
● 材料技術
對半導體、催化燃燒式氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料 ZnO，SnO2，Fe2O3等己趨于成熟化，特別是在 CH4、C2H5OH、CO等氣體檢測方面。現在這方面的工作主要有兩個方向：一是利用化學修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進行改進和優化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性；二是研制開發新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。
在世界范圍內，實用化的電化學氣體傳感器目前仍以液態電解質做導電解質為主流，半固態、固態電化學元件生產技術還不夠成熟。最主要的電化學氣體傳感器生產企業有英國城市技術公司和阿爾法公司、國內的河南漢威電子股份有限公司。目前電化學氣體傳感器材料技術發展的重點主要在電解液從液態向半固態、固態方向發展。
紅外氣體傳感器的關鍵材料是光源和濾光片，目前主要的原材料供應商都集中在歐美地區，國內只有中科院上海技術物理研究所、中科院半導體研究所等少數科研單位能夠生產符合要求的材料。
● 設計技術
智能氣體傳感器的設計目標包括：能同時完成對多種氣體的自動監測；監測結果與外部的實時通訊；監測結果自動用于決策處理過程；針對多變的應用領域，設計多樣化的智能氣體傳感器，滿足特殊應用的需求等。
納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。智能氣體傳感器的設計技術將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。
● 工藝、制備技術
在氣體傳感器技術領域，針對紅外光學式、電化學式、催化燃燒式、半導體式等多種類型的氣體傳感器等，氣體傳感器的制造工藝很多。但針對氣體傳感器的特性、材料，采用微電子機械技術（MEMS）將是智能氣體傳感器發展的趨勢。微電子機械技術是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。
微電子機械技術是以微電子技術和微加工技術為基礎的一種新技術，分為體微機械技術、表面微機械技術和 X射線深層光刻電鑄成型（ LIGA）技術。體微機械技術加工對象以硅單晶為主，加工厚度幾十至數百微米，關鍵技術是腐蝕技術和鍵合技術，優點是設備和工藝簡單，但可靠性差；表面微機械技術利用半導體工藝，如氧化、擴散、光刻、薄膜沉積、犧牲層和剝離等專門技術進行加工，厚度為幾微米，優點是與IC工藝兼容性好，但縱向尺寸小，無法滿足高深寬比的要求，受高溫的影響較大； LIGA技術采用傳統的X射線曝光，厚光刻膠作掩膜，電鑄成型工藝，加工厚度達到數微米至數十微米，可實現重復精度很高的大批量生產。
將微電子機械技術用于未來智能氣體傳感器的制備工藝，主要涵蓋兩個層面的含義：（ 1）已有氣體傳感器移植到微電子機械技術領域；（ 2）基于微電子機械技術，開發具有新原理、新功能的智能氣體傳感元件和系統。
● 結構、封裝技術
沿用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料（硅、石英、陶瓷等），采用先進的加工技術和微結構設計，研制新型傳感器及傳感器系統，如光波導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣體傳感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。
● 應用技術
氣體傳感器是氣體檢測系統的核心，通常安裝在探測頭內。從本質上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進行化學處理，以便化學傳感器進行更快速的測量。
氣體傳感器的應用領域非常廣泛，涉及大氣污染、工業廢氣的監測、食品和居住環境質量的檢測、醫療診斷等領域。不同的應用領域，需要開發傳感特性滿足應用要求的氣體傳感器。系統開展針對不同應用領域氣體傳感器的傳感原理、靈敏度、選擇性、穩定性、干擾排除、進樣方式、量程、測量方式等方面的研究，具有重要現實意義。
● 標淮化技術
與“互聯網”標準化技術類似，應用于“物聯網”的智能氣體傳感器也要實現標準化，以滿足與外部對象雙向通信的需要。智能氣體傳感器的標準化涵蓋硬件標準化、軟件控制標準化、通信數據標準化等方面的內容。基于各種現場總線技術的智能傳感器具有種類繁雜的智能傳感器接口。 IEEE陸續推出了 IEEE 1451協議族，提出了統一的傳感器接口和傳感器的自描述模型，解決了智能化傳感器的兼容性、互換性和互操作性等問題。
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