气体传感器研究方向 气体传感器技术研究现状与未来发展方向

气体传感器技术研究现状与未来发展方向

作为人工嗅觉的核心元件，气体传感器在环境监测、公共安全、医疗卫生、食品安全和军事航天等领域中具有广阔的应用前景。本文首先从气体传感器的分类与应用阐述了该领域技术发展概况，重点从气敏材料、机理、器件与算法等方面描述了气体传感器技术的研究进展。最后全面展望了气体传感器技术与人工嗅觉的发展方向与动态，并提出了对我国该领域的发展建议。

嗅觉是五种基础感知之一，作为嗅觉传感的核心元件，气体传感器能感知环境中气氛的种类与浓度，在环境监测、 公共安全、医疗卫生、食品安全和军事航天等领域中有广阔的应用前景。在发展过程中，开发具有高敏感度（Sensitivity）、高选择性（Selectivity）、高稳定性（Stability）、快响应时间（Speed）、 低功耗（Power）和低成本（Cost）的特性的气体传感器是主要目标。随着物联网、微纳加工技术与人工智能技术的发展，利用气体传感器阵列（模拟生物嗅觉中的嗅觉感受器）与人工智能算法（模拟生物嗅觉中的嗅觉神经系统）构建的人工嗅觉技术在更多的领域中发挥重要作用，实现气体传感器从“功能实现”到“性能提升”到“智能化” 的发展路线。积极探索气体传感器的新原理、新材料、新机制和新器件，对全面提升人工嗅觉性能、拓展人工嗅觉使用范围具有重要的科学意义和实用价值。

（一）气体传感器分类

气体传感器根据工作原理分为直接测量敏感材料电学性能变化的电学型气体传感器和间接测量气体种类与浓度的光学型气体传感器。

电学型气体传感器包括半导体型、电化学型、催化燃烧型、石英微天平型与声表面波型。半导体型气体传感器主要根据半导体敏感材料与气体发生反应，导致敏感材料的电子发生得失，从而改变气敏材料的电学性能，通过检测其电学性能的变化即可准确地检测气体，由于其制作简单、操作简洁、成本低廉、易于微型化装配等特点而受到了广泛的关注，但其响应为广谱响应模式，导致其选择性不高。电化学气体传感器是将测量对象气体在电极处氧化或还原形成电流，通过检测电流的大小即可确定气体浓度，具有响应准确度高、一致性好的特点，但其寿命较短。催化燃烧式气体传感器是利用可燃气体催化燃烧产生热效应的原理实现响应，具有输出信号线性好、指数可靠、价格便宜、不会与其他非可燃性气体发生交叉敏感等特点，主要用于可燃性气体响应。石英微天平与声表面波型气体传感器属于频率型器件，即敏感材料与气体反应后的电学性能改变会使得整体器件的频率发生变化，特别是声表面波传感器具有抗干扰能力强、环境适应性强、无线无源、使用寿命长等优点，适合用于难以维护或需要长期工作的场合。

间接测量型气体传感器主要是红外气体传感器。红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系来检测气体组分并确定其浓度的气体传感装置。该类型的传感器不需要与待测气体直接接触，适用于一些特种环境中的测试，如高污染环境、文物保护等。

（二）气体传感器的应用

国内气体传感器在应用领域上经历了从工业气体的监测到环境气氛监测的过程。同时，气体传感器应用经历了从单个传感器的使用，到阵列化模组的使用，到基于物联网的智能器件的使用。

目前，气体传感器主要应用领域为：

室外环境污染物监测

主要检测氮氧化物、二氧化硫、硫化氢等气体。主要采用电化学型气体传感器，该传感器具有灵敏度高，精度高等特点，但相对寿命较短、成本较高。

室内环境污染物监测

主要监测气体挥发性有机污染物（甲醛、苯等）。主要采用半导体气体传感器，该传感器具有成本低廉、响应迅速的特点。

密闭环境气氛监测

例如军事领域中潜艇、航天领域中航天器舱内环境的监测，主要监测氧气、二氧化碳、氮氧化物等。主要采用半导体气体传感器与红外光谱气体传感器。

易燃易爆气体的监测

如：矿井坑道中对于甲烷气体的监测；新型氢能源领域（氢能源站、氢动力汽车等）对于氢气的监测。在该应用方向中，主要采用催化燃烧式气体传感器，该传感器具有选择性好，灵敏度高、响应迅速的特点。

二

气体传感器研究动态

目前针对气体传感器的研究主要集中在材料、机理、器件与算法等方面。

（一）气敏材料

气体敏感材料是气体传感器的核心和研究热点。金属氧化物半导体材料是最早被运用于气体传感器敏感材料之一。

目前商用金属氧化物半导体传感器材料大多以 SnO2 为主体材料。此外，氧化锌（ZnO）、氧化钨（WO3）、氧化铟（In2O3）、氧化 铜（CuO）、 氧 化 镍（NiO）、氧化铁（Fe2O3）等金属氧化物也由于各自的特性被用于气敏材料。此外，一些三元氧化物如钙钛矿类型材料也被用于气敏响应中。但金属氧化物半导体大多需要在较高的温度（300 ～ 500℃）才能与气体分子进行响应，在一定程度上限制了该类气体传感器技术的发展。

胶体量子点是通过湿化学合成法制备并稳定分散在有机或无机溶剂中的半导体纳米晶粒。由于晶粒尺寸通常在 10 纳米以下，不仅比表面积大、表面活性高，而且由于晶粒尺寸达到与德拜长度相比拟的范畴而出现晶粒尺寸效应，因而蕴含着极高的气敏效应。调节其点缺陷组成和电子能级结构以及表面配体修饰，可以实现对量子点迁移率、表面活性、气敏选择性的调控，解决传统金属氧化物半导体气敏选择性不佳的缺点。因此，量子点材料在气敏领域具有较大的发展潜力。

金属 - 有机框架物（MOFs）是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机 - 无机杂化材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点。因此可以通过调整框架物的孔洞大小来控制不同气体分子的吸附，并可以显著改善气敏材料的选择性。

导电高分子是由具有共轭 π 键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。由于导电高分子的室温电导率可以在大范围内通过掺杂来调控，同时掺杂过程可以显著影响气体分子与高分子材料的响应过程，因此导电高分子也是非常具有潜力的室温半导体气敏材料。另外，导电高分子由于有较好的拉伸性与弯折性，特别适合制备柔性气体传感器，是未来穿戴型气体传感器的重要敏感材料。

目前在气体传感器研究中，由于敏感材料的特性决定了其主要性能，因此敏感材料的研究是气体传感器的主要研究方向，也是本领域国内外研究的热点方向，主要研究方向为开发低工作温度、高敏感度、高选择性纳米气敏材料。

（二）气敏机理研究

气体敏感过程为气体分子与敏感材料表面进行的物理化学反 应， 一直是本领域研究的重点。通过气敏机理的研究一方面可以理解气体敏感过程，另一方面也可以指导敏感材料的设计。目前，半导体型气敏材料主要有氧离化模型（又称 LangmuirHinshelwood 模型）和氧化还原模型（ 又 称 Mars van Krevelen 模型）。两种模型的区别主要在于参与气敏反应的活性物质不同，氧离化模型中主要是吸附在敏感薄膜表面的氧负离子，而氧化还原模型中主要是敏感薄膜中的氧空位。

目前对于气敏机理的研究有非原位与原位方法。非原位方法主要采用普通的表征手段，对气敏反应前后的材料状态进行研究，从而推断气敏反应的过程。非原位的方法只能从静态角度推算气敏机理过程，因此并不能完全体现气敏机理中的细节。原位方法是指在气敏反应过程中对反应过程进行跟踪，可以更加精确地研究反应机理。程序升温脱附实验方法（TPD）是在规定升温步骤的过程中监测敏感材料表面气体分子脱附过程的变化，进而获得敏感材料的响应机理。通过该实验方法可以证明，在673K以下，气敏反应以氧离化模型为主；在673K以上，气敏反应以氧化还原为主。这是因为在高温下，氧空位才具有一定的反应活性。原位红外漫反射傅里叶变换谱（insitu DRIFT）可以检测气敏反应过程中敏感材料表面基团种类与数量的变化。通过该方法，我们可以在气敏材料实时响应中探究敏感薄膜表面基团的变化，进而获得气敏反应过程。目前，采用该方法已获得 SnO2 等材料的气敏反应机理。但由于气敏反应过程十分复杂，许多有机物的特征峰在红外区重合较多，因此对于挥发性有机污染物（VOCs）气体的响应过程目前仍然在研究中。

（三）器件研究

敏感材料主要与气体分子进行反应，主要完成气体 / 气味感知器的功能。敏感材料感知气体分子后的信号需要通过合理的器件结构将该信号传导出来。目前，半导体型气体传感器的器件结构主要分为两端型电阻式气体传感器与三端型场效应管式气体传感器。

两端电阻式器件结构采用对电极或叉指电极的方式，将气敏材料电阻率变化转变为器件电阻的变化，该类型传感器器件结构简单，是目前商用半导体类型气体传感器的主要器件结构，但其缺点是无法对小信号进行调制。场效应管式（FET）器件结构是采用场效应管作为转换器件，敏感材料作为场效应管沟道有源层或者修饰栅极，利用场效应管的电场调制效应进行气敏测试。采用场效应管器件结构时，敏感材料上微弱电信号的改变可以通过场效应管进行放大，特别适合于微量浓度气体的检测。

两端电阻式器件结构最初采用陶瓷加工工艺实现，陶瓷材料价格低廉、耐高温，非常适合加热型金属氧化物半导体气敏元件。随着微纳加工工艺的发展，采用微机电系统（MEMS）工艺开发的硅基微热板正在逐步取代陶瓷板，进一步缩小传感器体积与功耗。目前运用 MEMS 技术的气体传感器主要包括半导体型与谐振式微悬臂梁式气体传感器。谐振式微悬臂梁气体传感器主要是在微悬臂梁上涂敷敏感材料，当气体吸附在敏感膜上时，会改变该微悬臂梁的振动频率，通过检测该频率的变化即可换算出气体的浓度。该类型传感器目前主要采用热激励与压阻检测的方式，该方式具备与目前半导体工艺完全兼容的优势，利于传感器的进一步集成。进一步，还可以将不同材料的气体传感器集成形成气敏阵列，用于多种气体的探测。同时，采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制备的场效应管式气体传感器亦具有较小的尺寸，并形成气敏阵列。可以看出，采用目前成熟硅基半导体工艺可以大幅降低半导体型传感器尺寸与功耗，并降低制造成本，有望实现气体传感器的大规模制造，并能形成气敏阵列，配合深度学习等人工智能算法，实现对生物嗅觉的模拟，即实现人工嗅觉传感的功能。

柔性半导体气体传感器也成为了近年来半导体气体传感器领域一个新兴的研究热点。一些低维纳米材料、导电高分子材料可采用旋涂、提拉、印刷、打印等方式将气敏材料按所需的图形涂覆在耐热温度较低的塑料（如 PET 聚酯、聚酰亚胺 PI）甚至是纸等衬底上实现规模化制备，进而可采用纺织技术与其它电子单元一起集成在织物面料上制作成智能织物，实现可穿戴半导体气体传感器的制备与应用。

（四）算法研究

随着气体传感器的小型化、阵列化与集成化的发展，采用微型气体传感器阵列配合人工智能算法，可实现对于哺乳动物生物嗅觉模拟的过程，即采用气体传感器模拟嗅觉受体与环境气氛响应产生响应信号，采用人工智能领域中模式识别算法模拟大脑，处理收集的信号进行分析并输出识别结果。可以看到，在人工嗅觉系统中，模式识别算法同样决定了识别精度，一直是研究的重点。

嗅觉模式识别算法随着计算机硬件和软件的发展经历了从简单到复杂的过程。在 20 世纪 90 年代，由于计算机硬件性能有限，嗅觉模式识别主要采用主元成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）等降维算法方式。该方法计算量较小，对硬件依赖较低，也便于可视化输出结果。随着计算机硬件能力的提升，基于人工神经网络（ANN）的算法也在嗅觉感知系统中被使用。ANN 采用模拟生物神经网络的结构和功能，其算法主要是采用具有可以估计输入数据的非线性函数关系和一组可以被调节的权重组成，通过监督学习的方式自动调整神经网络内的权重，从而影响函数关系的最终结果，完成分类任务。该方法在有干扰的情况下具有很好的识别效果，但该方法输入端仍然采用自定义特征，同时缺乏反馈机制，对于复杂任务，特别是在非常相近的气味识别上存在识别率较低的问题。近几年，随着机器学习、深度学习等在视觉识别、语义判定以及下棋决策等众多领域中应用的不断深入，将深度学习引入到嗅觉识别领域可以进一步提高识别准确度。在最近研究过程中，采用卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）对整体响应曲线进行分析，提取特征进行分类判定，取得了非常好的效果，但该算法是完全借用图像识别中的算法，将整体曲线作为二维图像输入至算法中，一些与传感器相关的时序特征并未被有效地提取，同时算法未优化，导致效率较低。

直到现在，未出现专针对于嗅觉识别的算法。而嗅觉识别过程与视觉识别、语义判别存在较大的区别。特别是在实际应用中，应用环境非常复杂，亟需针对于嗅觉识别的过程开发专用的深度学习算法。

三

发展方向与建议

（一）发展方向

未来 10～15年，随着物联网、可穿戴设备、人工智能技术的进一步发展，气体传感器在如下的领域中有着巨大的需求：

移动终端与可穿戴设备

在目前的移动终端（例如手机）中，已经集成了视觉、听觉、触觉等感知器件，若进一步在移动终端中集成气体 / 嗅觉感知器件，可以使得移动终端器件具备环境气氛感知的功能，可以用于室内外污染气体的监测、香水香味检测、食物变质与假冒伪劣检测、口气检测等。

微型环境监测站

基于微型气体传感阵列构建微型环境监测站，缩小体积、降低成本，并与路灯、移动网络基站集成，使之能应用于社区网格化监测，采用大数据挖掘获得区域内污染物扩散方式，追踪污染物种类、浓度的变化趋势，为污染源头溯源、污染物治理提供决策依据。

微型机器人

在微型机器人或无人机上集成气体 / 嗅觉感知器件，可以用于化工区危险物质泄漏溯源，工业园区污染排放监控与定位，也可用于天然气等化工物质运输管道巡检，定位泄漏源。

智慧医疗

目前，在医学中已经有数据证明人体呼出气与自身疾病之间有一定关联性，例如糖尿病患者的呼出气中丙酮含量较高，采用嗅觉感知器件可以更精确地识别目标气体，提供可靠的医学判据。一方面可以作为居家检测方式，进行长期健康状况的监测，一方面也可以作为医院中一些疾病的无创初筛检测。

（二）发展动态

目前，根据 Yole Development 的分析报告，到2023年，全球气体传感器市场将达到10亿美元。而我国一直是气体传感器应用大国，相应的，国内气体传感器的市场将达到 1 亿美元。在我国高校与中科院系统中，有较多的单位与学者参与气体传感器研究。其中吉林大学是从事气敏研究最早也是实力最雄厚的，被誉为“北气敏”，研究包括半导体传感器、电化学传感器、催化燃烧型传感器等多种气体传感器。华中科技大学、电子科技大学等院校在不同类型的传感器及气敏材料研究上具备较强的实力。中科院下辖的半导体所、微系统所、电子学所、微电子所等在传感器与集成系统上有着深厚的研究基础。

目前气体传感器高端市场基本被国际知名传感器厂商占据。如美国霍尼韦尔、日本费加罗、德国博世、瑞士 Sensirion、英国 GSS 等。国内目前有河南汉威集团在电化学、催化燃烧、半导体、红外 NDIR 四种气体传感器上具备完整的生产能力，苏州慧闻纳米科技有限公司在微纳半导体型气体传感器上具备生产能力，但性能相较于国外厂商还存在一定的差距。随着气体传感器往嗅觉感知器件上的发展，国际上，德国博世、日本费加罗、美国霍尼韦尔、瑞士 Sensirion 几大传感器厂商已经在嗅觉感知器件上进行相关研发，其中德国博世、瑞士 Sensirion 已经开发出了阵列传感器与处理电路集成的初级嗅觉感知芯片，同时正在开发集成度更高、集成人工智能识别算法的嗅觉感知器件。而目前国内传感器企业中仍处在生产气体传感器层面，并无商品化初级嗅觉感知器件问世。

相比而言，德国与日本的研究机构与产业界有较深度的融合，科研机构往往直接对接产业界，例如德国图宾根大学与德国博世公司有深度的合作，日本九州大学直接孕育了费加罗公司。而目前我国科研界与产业界之间仍存在较大的断层，例如，科研界发明的新材料、新器件等无法用于产业界，而产业界所提出的稳定性、选择性等问题科研界也无法解决。因此亟需解决科研界与产业界的沟通渠道。重点打通敏感材料合成、阵列化器件制备、芯片化封装测试、嗅觉识别算法等关键问题，开发适用于新兴应用的智能嗅觉感知器件，占领未来智能嗅觉应用的市场。

（三）发展建议

我国气体传感器发展亟需在以下几个方面进行突破：

气体传感器协同设计与集成制造

采用 MEMS 与 CMOS 技术进一步缩小传感器尺寸，实现传感器晶圆级制造，将多个传感器集成在一起形成传感器阵列，并融合数据处理等模块，实现芯片级封装制造。目前，德国博世与瑞士 Sensirion 公司已经完成四种金属氧化物半导体传感器的集成，同时还集成了温湿度传感器。另一方面，红外 NDIR 传感器也借助微纳加工技术实现了小型化制备，将整体尺寸缩小到毫米级别。为了真正实现人工嗅觉，需要借助微纳加工方法将不同种类的气体传感器尽量多的集成在一起形成大型气体传感器阵列，就如视觉感知器件所需的像元阵列一样。

结合深度学习的智能气体传感

真实环境中的气氛非常复杂，同时发展基于嗅觉识别的深度学习技术，并融合至 AI 芯片中，形成智能嗅觉感知系统时环境温湿度也一直在变化，为了精确识别气体的种类与浓度需要更加智能的嗅觉感知系统。基于深度学习的模式识别技术已经在其他领域中得到广泛应用并展现了强大的识别能力，但针对于嗅觉的深度学习技术还处于初级阶段。要配合传感器阵列，实现复杂环境中的气体精确识别。

气体敏感机理模型化

气体感知过程本质上是化学反应，与视觉、听觉、触觉是物理反应不同，其本身的反应较为复杂，对于气敏材料的响应机理目前仍处于宏观上的认识，其中具体的反应过程、制约反应的根本因素等还未解释得非常清晰，包括对于人类嗅觉的感知过程也暂未理清。深入研究气敏反应包括人类嗅觉感知过程可以进一步指导对气敏材料的开发，有助于提高传感器性能，解决传感器选择性、稳定性等问题。

作者：杨斌 ，文震

科技部高技术研究发展中心；苏州大学功能纳米与软物质研究院

本文转自（ 智能传感器专委会）

气体传感器分类、原理及未来方向

气体传感器分类、原理及未来方向

一、分类：

传感器是对信息有感受的器件。

按照传感器感知的信息种类分类：传感器分为物理量（物理信息）传感器、化学量（化学信息）传感器、生物量（生物信息）传感器。

物理量传感器包括:力学量，光学量，热学量，电学量传感器。即力、光、热、电。力学量中常见:压力，加速度，位移；光学量中常见:可见光，红外，紫外。热学量中常见:低温，中温，高温。电学量中常见:电流，电压，电场，电磁等；

化学量传感器:成份、浓度。

生物量传感器:血压、血糖、血脂、心率等。

按照传感过程中信息和传感器的作用过程的属性分类：传感器可以分为物理类、化学类、生物类

气体传感器是测量气体成分和浓度的化学量传感器。

气体传感器按气体与传感器的作用方式分类:物理类，化学类、生物类。

物理类即传感作用过程是物理过程，即传感作用过程不导致气体化学性质发生变化。化学类即传感作用过程是化学过程，即传感作用过程导致气体化学性质发生变化。生物类即传感作用过程是生物过程，即传感作用过程通过生物活动导致气体化学性质发生变化。

常见的物理类气体传感器:热传导、红外吸收，表面声波，QCM等；

化学类:半导体，催化，电化学等;

生物类在普通工业、家庭不太常用。

在常见的气体传感器PID严格讲是另类:为物理化学类。即物理方法导致化学变化。

气体传感器门类众多，以下介绍几种常见的不同工作原理的气体传感器

二、常见的气体传感器工作原理：

1、半导体气体传感器：

原理:在一定的温度条件下，被测气体到达半导体敏感材料表面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系，通过测量电阻的变化即可测得气体浓度。单支半导体气体传感器通过选择性催化、物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。大规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确识别。

半导体顾名思义是电导率介于绝缘体与导体之间的物质。半导体气体传感器的敏感材料就这么一种物质。常见的气体敏感材料分为表面控制型和体控制型。表面控制即电阻由晶粒表面和晶粒晶界控制，体控制即电阻由晶粒尺寸和载流子浓度控制。用于气体传感器的半导体材料除具有半导体的属性外还需要具备以下条件:a、易获得，b、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力；c、自身有良好催化特性；d、机械结构可调；e、电性能可调；f、烧结性能好；g、氧气和被测气体在室温或一定的温度条件下，在其表面有很好的化学反应能力、并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力；h、与其它辅助材料成型后有较好的相融性、化学稳定性、并有适合的微缺陷等。符合这种条件的常见材料二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。这里最重要的概念与性能的对应关系:温度-功耗、漂移;吸附及化学反应-灵敏度、选择性、漂移、线性、初始稳定时间以及响应时间;脱附-恢复时间。半导体传感器的优点：廉价、耐用、设计及制造过程简单。半导体传感器的弱点:功耗大、漂移、线性差。无论其优点还是弱点均与上述对应关系相关。如漂移:传感器会吸附氧气，当氧气浓度变化时(如雨天，氧浓度变小)，吸附量会变化，零点必会漂啊漂。总之半导体传感器的优缺点首先是由其工作原理决定的，是先天的。后天的设计、制造可以改善，但不能消除。

2、红外气体传感器:

原理:由不同原子构成的分子会有独特的振动、转动频率，当其受到相同频率的红外线照射时,就会发生红外吸收，从而引起红外光强的变化，通过测量红外线强度的变化就可以测得气体浓度；需要说明的是振动、转动是两种不同的运动形态，这两种运动形态会对应不同的红外吸收峰，振动和转动本身也有多样性；因此一般情况下一种气体分子会有多个红外吸收峰；根据单一的红外吸收峰位置只能判定气体分子中有什么基团，精确判定气体种类需要看气体在中红外区所有的吸收峰位置即气体的红外吸收指纹。但在已知环境条件下，根据单一红外吸收峰的位置可以大致判定气体的种类。 由于在零下273摄氏度即绝对零度以上的一切物质都会产生红外幅射，红外幅射与温度正相关，因此，同催化元件一样，为消除环境温度变化引起的红外幅射的变化，红外气体传感器中会由一对红外探测器构成。

一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。

为什么红外气体传感器不能测量氧气、氢气、氮气等由相同原子构成的气体分子?

月亮和地球、地球和太阳靠万有引力连接，分子内部原子间靠化学键连接。如果二者是理想球体而且没有其它万有引力干扰则地球轨道将是圆的，实际上上面两个条件都不成立，因此其轨道是椭圆的，也就是地球和太阳之间的距离不停地在短半径和长半径之间转换，即振动，只是振动周期长达一年，在这个过程中，地球处于短半径点和长半径点时，它和太阳之间的引力是不同的，即能量级别不同。在分子内部原子间靠化学键连接，原子间的空间距离、角度、方向由于电子分布的不均衡而不停发生变化，即振动、转动，而且不同的分子会有独特的振动、转动频率,当遇到相同频率的红外线照射时会产生谐振、原子间距离和电子分布发生变化即偶极距发生变化，红外吸收就是这样产生的(紫外吸收同理)。以上内容中包含红外吸收的两个基本条件:谐振、偶极距变化。这两个条件同时满足才能产生红外吸收。氧气、氢气、氮气等由同一种原子构成的分子为什么没有红外吸收峰:两个基本条件一是气体分子振动频率与照射的红外线频率相同，二是偶极距变化。不难理解，第一个条件容易满足，第二个条件无可能性。相同原子构成的分子正负电荷中心完全重叠，即偶极距为零，其结果是电子在分子中的分布是均衡的，以红外光本身的低能量密度特征，其照射不会改变这种均衡，更不可能使分子电离，即不会导致能量变化。而不同原子构成的分子:以水(蒸气)分子为例,分子中电子的分布偏向氧这端，即微观上水分子中氢那一端呈正电性,氧那一端呈负电性，正负电荷中心是不重叠的，即偶极矩不为零。这是因为氧吸引电子的能力比氢强的缘故。在与水分子振动、转动频率相同的红外线照射时，会使电子在水分子中的分布更偏向氧一端，导致氢和氧的平均距离变短，即偶极距变短，能量变高，即水分子受到红外照射时会从低能级跃迁到高能级，红外吸收就是这样产生的。可以这样去简单理解:红外线与相同原子组成的分子相遇时，由于相同原子组成的分子是理想的弹性球体，两者的相互作用是完全弹性碰撞，只有能量交换，没有能量转移。不同原子组成的分子与红外线相互作用则有能量转移。因此，红外吸收原理不能测相同原子构成的分子。红外吸收原理只能测不同原子构成的分子。由于同一分子内部运动的多样性使其具多种不同的振动频率和转动频率，因此，对红外吸收的分子会有多个吸收峰；另外，具有相同化学键的分子(如水和酒精分子中的氢氧键)会有相近的吸收峰，干扰由此产生。

非色散红外吸收气体传感器:非色散:白光通过三棱镜会被分为七色光即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。这个三棱镜就是一个分光系统，能把7色光分开。有分光系统的光学系统即色散型光学系统,无分光系统的光学系统即非色散性。非色散系统简易、可靠、小巧、廉价。平时我们感受到的白光、紫外、紅外光都是不同频率、波长混合成的光；而单频率、单波长的光即单色光。前面讲到只有红外线的频率和气体分子振动、转动频率相同时才会产生红外吸收，理论上在设计气体传感器时，我们希望用单色光去照射气体或者照射后我们用设置光栅(滤光片)的办法获得单色光。非色散红外气体传感器通常由光源、光学腔体、滤光片(光栅)、探测器和信号调理电路构成，在传感器中滤光片和探测器是一体的。红外气体传感器优点:1、除了相同原子組成的气体，所有气体都可以测。2、全量程。3、传感过程本身不会干扰传感。缺点:1、昂贵。红外气体传感器本质上是红外幅射导致探测器温度变化进而是电性能变化的温度传感器，传感过程复杂。要求系统有如下特征:光源必须有稳定的红外幅射；光学腔体物理化学性质稳定；滤光片及红外探测器稳定。这些问题，合理的工艺技术本身能较好的解决，但是制造成本高，导致价格昂贵。2、在普通的以宽频红外光源加滤光片加探测器设计中，滤光片本身不能实现理想的选择性滤光，因此干扰尤其是水的干扰一直存在。选择性的问题深层原因在于很多不同的气体分子会有相同的化学键，即有相近甚至重叠的红外吸收。3、粉尘、背景幅射、强吸附及气、液、固易发生转换的检测对象都会对检测结果造成影响。

近红外:波长0.7um~2.0um；中红外:波长2.0um~15um。气体吸收峰:每一种气体的吸收峰不止一个如:甲烷在近红外1.3um，1.65um；中红外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等处都有吸收峰。

激光光源:最接近单色光的光源。

我们大概容易想到，同一气体分子的振动、转动的多样性导致其有多个吸收峰；含有相同化学键的分子会有相近的吸收峰。因此红外传感器的技术发展路径很清楚:单色光源、集成化、微型化、低功耗。目前最大的问题:近红外区只有个别波长有较廉价的激光器做单色光，而且在近红外区气体吸收较弱。在气体对红外的强吸收区中红外区，激光器制造工艺复杂，激光材料、理论及器件未有商业价值突破，导致中红外激光器极昂贵。这严重限制了红外气体传感器在复杂环境下的应用。在常见的气体中目前二氧化碳是红外原理最强的应用,也是基于节能的最具商业前景的应用；其次是甲烷。

3、催化燃烧式气体传感器:

原理:一般由线径15um或20um或30um的高纯度铂线圈并在其外包裹载体催化剂形式球体，在一定的温度条件下，当可燃性气体与上述球体接触时会与其表面的吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，反应释放的热量导致铂线圈温度变化，温度变化又导致铂线圈电阻发生变化，测量电阻变化就可以测到气体浓度。因此与其说催化元件是气体传感器不如说他是个温度传感器，为克服环境温度变化带来的干扰，催化元件会成对构成一支完整的元件，这一对中一个对气体有反应，另一个对气体无反应，而只对环境温度有反应，这样两支元件相互对冲就可以消除环境温度变化带来的干扰。从温度传感器去理解催化元件会在开发、应用时引导我们不仅仅关注传感过程中化学反应本身，也会吸引我们去更多的关注传感过程与温度有关的温度场的分布与变化、温度场与传感器球体的位移关系、热传导与热幅射、及传质与热传导等。实际上，决定催化元件性能的因素中，促使化学反应发生只是众多传感要素中不太重要的要素，和热传递相关的因素才是最核心的。和半导体元件不同，催化元件传感过程较为复杂，前者是气体与传感器接触后发生的化学反应直接导致传感器电阻即电信号的变化，后者则是气体在催化元件上发生的化学反应首先导致的结果是传感器载体表面及载体内部的温度变化，载体的温度变化经过热传递最终导致铂线圈电阻的变化，完成传感的全过程。传感过程复杂，导致问题产生的几率就大一些。1、对长分子链的有机物以及不饱和烃，对半导体来说，不完全反应导致的积炭只会对反应过程产生影响，而不会对电子传输产生大的影响，而对催化来讲，炭的存在不仅影响反应过程，更会对热传递产生剧烈影响，结果是反应产生的热量向传感器内部传递效率变低了，热量大都散失掉了，最终是，同样的气体浓度，释放同样的热，由于炭的存在，导致传感器:温度只有很小的变化，即灵敏度变得很低。2、因为需要热传递，为了保证热效率，反应必须在瞬间完成，即要求有极高的反应效率，就需要有大量的纳米级的催化剂以及纳米级的孔，这样的特征有利于传感也有利于中毒。3、催化元件的线性是由两个因素决定的a、温度传感材料pt线圈的电阻~温度特性是线性的。b、爆炸下限以内反应放热和气体浓度是线性的。因此，两个因素任一发生变化，就会导致传感器线性变化。实际上，铂线圈会持续升华变细即导阻变大；反应释放的热量与浓度的线性关系只在气体浓度为爆炸下限以内时才成立。

催化元件的未来主要取决于工艺技术的进步:1、结构改进，解决的问题是震动引起的漂移。2、过滤层改进，解决的问题是中毒。3、开发新材料改善积碳。4、制造过程对设计实现的保障如避免形变。5、MEMS化。需要说明的是，器件结构、封装、制造工艺的改进不仅会改善元件的综合性能，也会引发新的应用。和半导体相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面积下有更高的催化效率、热效率。6、催化元件的应用定位会更精准专一。7，催化元件不会被淘汰。

4、电化学传感器:

电化学就是研究电学和化学行为之间关系的学科。这个学科最重要的应用是电能与化学能之间的高效转换和大功率密度存储技术。我们知道传感器表观上是信息种类、信息量的转换装置，如压力信息转换为电信息的压力传感器等。本质上传感器是一种能量转换装置，如压力传感器就是把机械能转换为电能的装置。因此，很容易理解，电化学气体传感器就是一个电池，叫气体燃料电池。最常见的电池，把一堆可以导电的化学物质装起来，插入两个不同材料的电极，用导线连接就会有电产生。以铅酸蓄电池为例，硫酸水溶液就是导电的化学物质，把铅放进其中，在铅和硫酸接触的地方(界面)会产生电，把氧化铅放进去，界面也会有电，两个界面电量有差异，即有电压，用导线连起来电子就会从铅流到氧化铅，铅就变成了氧化铅，氧化铅变成了氧化亚铅。电量和化学量及反应过程相关联。这里最重要的概念:一是把一个导体插入导电的化学物质中界面会产生电位，同一种物质中插入不同的导体产生不同的电位。二是不同的电位相连接，在界面会发生反应。三是导电回路由电池和外接导线两部分构成。电池外部在连接导线内是电子，电池内是离子。即导电过程由电子移动和离子移动共同完成。为什么产品设计要追求极简?在铅、氧化铅、硫酸水溶液构成的铅酸蓄电池中，铅是产生并输送电子的一极，氧化铅是获得电子的一极，两个电极在硫酸水溶液两端电极间产生电压。如果用导线把两个电极连起来，电子就会从铅通过导线流到氧化铅，硫酸水溶液中氢离子从铅那一端通过硫酸水溶液流到氧化铅。

电化学CO气体传感器是一个化学电池即CO燃料电池。其中: CO是提供电子的一极(工作电极)，氧气是获得电子的一极，硫酸水溶液是电解质。和铅酸蓄电池最大的不同是电极材料不同，电化学气体传感器(co)电极材料是气体，铅酸蓄电池是固体。电化学气体传感器的电极叫气体电极。电化学CO气体传感器中，工作电极CO作为供电子的一极，只有CO和硫酸水溶液触是无法进行的电子释放、收集和传导的。其一CO完成提供电子的过程需要条件，即在电催化条件下降低CO提供电子的难度。实践中这个条件由多孔铂电极（或其它电催化导电电极）提供。其二，CO提供的电子需要导体收集后传导，也由多孔铂电极完成。同理，作为对电极的氧气电极亦需要有多孔铂电极协助获得电子。铂电极实际上是反应平台。电化学传感器传感原理虽然简单，但是实现可靠精确的传感却很难:其一需要铂电极有稳定的多孔结构，孔的数量足够多，硫酸水溶液进到孔里，CO (或氧气)也能进到孔里，在气(CO)-固(pt)-液(硫酸水溶液中的水)共同接触的位置即三相界面完成电子提供。因此,三相界面如何在硫酸长期浸泡、电化学反应冲击、电泳驱动下保持稳定，是可靠精确传感的核心。其二，硫酸水溶液要稳定，不挥发，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液的质量变化都会导致传感器内部压力的变化,进而引起三相界面的变化。其三、由封装、材料物理特性决定的电极和硫酸水溶液接触应力要稳定不变。目前电化学传感器的主要问题基本源于上述因素。电化学传感器最核心的技术及工艺之一是如何构建孔的物理结构合理稳定可靠的电极，它和灵敏度、响应恢复、寿命、温度特性密切相关。其二是封装。电化学传感器存在的问题如干燥条件下的失水失活、高湿条件下的吸水漏液，长期接触被测气体导致的中毒失活，电极孔结构解体导致的失活。体现在性能上是漏液、寿命短(相比其它原理)、体积大。体现在制造上表现为设计、工艺复杂、制造成本昂贵。这些问题其中多数与液态电解液有关;中毒则与电催化反应性质有关。同样的，这些问题可以通过好的技术工艺路线去改善他，却不能消除。需要注意的是:正确的技术工艺设计最终体现在产品上需要在和传感器场景应用互动过程中长时间(数年)的积累、修正、完善，才能实现该设计理论框架下的理想产品。一个没有经历这个过程的技术，无论多先进，都难以立刻变成先进的产品。关于这一点，中国的基础工业中航空发动机的发展历史和现状就是对科学与技术工艺关系最生动的注脚。

电化学传感器的未来：明确的方向是电解液室温固态化并以此为基础实现MEMS化。实现固态化和MEMS化的电化学传感器不仅能够克服包括制造在内的大部分问题，而且可以激发新的应用，为企业带来新的增长。此时的电化学传感器将是高度一体化的，易集成的、小巧的电子系统。但是，这样的结果仍然不能克服高浓度或被测气体长期与传感器接触导致的传感器性能变化。

5、PID:即光离子化检测器

原理简述:由紫外光源和气室构成。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。

特殊气体:物理形态多变、化学过程及反应生成物复杂多样。包括无机气体如氨气。有机气体如甲苯等。

前面介绍的各种气体传感器，对复杂气体的检测面临巨大挑战。如:对有机蒸气的检测，红外吸收原理面临着很难克服的困难:a有机蒸气由于分子量大的缘故，特征吸收波长较长，红外吸收后能量变化小，通常灵敏度会很低。b、长分子链的有机蒸气易吸附，会粘附在探测器上，破坏光传输。c、不能实现对voc总量的检测。红外系统若实现总量评价，则需要全光谱响应的滤光片、探测器和全光谱紅外光源，这样的要求不仅难实现，即使实现，在全光谱范围内，无机气体、水的干扰将顺理成章。而化学传感器中半导体易被无机气体、温、湿度干扰，漂移，浓度分辩率低，虽然其检测范围宽、覆盖气体种类多，但仍仅适合在低端应用。在这样的背景下，在工业现场voc检测时PlD是较好的选择。相对其它传感器plD最大的特点是只对很少的无机气体，如氨气、磷化氢等敏感。原因在于大部分的无机气体有很高的电离能(大于11.7ev)。目前plD灯最高紫外幅射能量仅为11.7ev。因此，在石油化工园区，PiD的响应可以认为是voc的响应。

PID工作原理祥述:1、在真空玻璃腔内充入高纯度稀有气体如氩气、氪气。2、用紫外透光片氟化镁单晶将玻璃腔体密封，在此氟化镁晶体对紫外光透明。3、在玻璃腔外壁套上电极。4、在氟化镁窗口加上电极和电场，做为被测气体气室，这就是一个完整的可电离VOC的紫外灯。工作时在玻璃腔外加上高频电场，紫外灯内的稀有气体被外加电场电离出电子和离子，电子和离子复合时紫外光的形式向外幅射能量。紫外光穿过氟化镁窗口到达气室，气室内被测气体被紫外光电离产生电子和离子，电荷在电场作用下产生电流，就可以测到了。

我们大概不难想到，PlD稳定工作需要:1、PID必须幅射足够的能量才能电离被测气体；2、产生紫外光的高频电场必须是稳定的。3、玻璃腔体内不能有杂质气体，杂质气体会导致附加电离，影响紫外发光效率。4、紫外光谱是稳定、均匀的。5、紫外光到达气室的传输是稳定、均匀并不与构成气室的金属电极材料相互作用而产生重金属沉积，重金属在紫外幅射窗口沉积会阻挡紫外到达气室。

这就要求:紫外灯充入的发光物质必须是气体才能均匀发光并传输。腔体内不能有杂质气体，以防止附加电离等。这些要求决定了发光气体的选择只能是稀有气体。窗口材料则必须对紫外透明并具有稳定的理化性质，事实上紫外窗口材料的选择是极其有限的。这些限至条件最终也决定了PID应用的局限性。

为什么目前的PID不能测丙烷、乙烷、甲烷和大部分无机物: PID的本质是使被测物质电离后测电荷流，电离需要能量。目前的PID紫外幅射能量最常见的是8.3ev、9.8ev、10.6ev。而电离甲烷需要的能量为12.6ev，乙烷为11.56ev、丙烷为10.95ev、二氧化碳为13ev等。事实上，人们很想开发出能量更高的PID，但限至条件在于稀有气体的种类极其有限，紫外波长(能量)是由稀有气体本身的电子能级决定的，人类无法改变；另一个限至条件是特定波长的紫外光透光窗口材料，能透什么样波长的紫外光取决于窗口材料的晶格常数，在目前的材料体系中选择也极有限。人们虽然开发出11.7ev的发光体，但适合的窗口材料只有氟化锂(LiF)，而氟化锂极易吸水，导致11.7ev的PID寿命只有两个月。即目前的紫外灯由于输出能量的限制，仍不能检测甲烷等有较高电离能的物质。

PID为什么没有选择性?如果我们选择的PID的紫外幅射能量是10.6ev，就意味着被测环境中电离能小于10.6ev的所有气体分子都会被电离，我们测到的电荷流是所有被电离气体的电荷流的和，而不是某种气体的电荷流。PID无选择性是由此决定的。

PID在工作时，气室内被电离的物质相遇时会复合还原，长链分子、灰尘等会沉积在窗口表面，除此，传感器工作时产生的离子流轰击气室电极也会使重金属沉积在窗口表面，这显然会影响紫外光透过，而导致零点漂移、灵敏度降低，影响检测结果。实际上除了PiD灯的制备技术、气室设计，PID灯紫外透过窗口的清洗技术也是核心技术之一。

PID的未来:1、PiD作为理想的非放射性离子源会永远存在。2、提高PID灯内充气前的真空度以及填充气体纯度以提高发光效率和发光稳定性；3、开发新的窗口材料及加工精度以改善透光率、出射光均匀性、封装质量、以及稳定性和寿命。4、预防色散导致窗口的重金属沉积，延长寿命5、防止大分子有机物、小颗粒物沉积的窗口清洁技术；6、输出能量更高的长寿命PID灯的开发；7、小体积。

气体传感器和其它传感器一样门类众多。除了上述五大类外还有热传导式气体传感器:本质上是温度传感器，也主要由铂线圈构成，只是包裹材料为化学堕性的玻璃体，将其保持一定温度，忽略其它因素，当空气成份稳定时，空气的热传导率是稳定的，传感器热平衡后温度是恒定的。由于不同的物质有不同的热传导率，当有被测气体时，传感器的热平衡被打破，温度变化，导致电阻变化。这个电阻变化和气体浓度正相关。和催化元件的区别，热传导是纯粹的物理过程。

小结：

PID、红外气体传感器、化学类气体传感器:

PID传感过程:物理方法即紫外线照射气体，化学变化即紫外线把气体分子如甲苯打开变成碳-氢离子，电荷在电场作用下移动形成离子电流，测电流即可，之后离子复合还原。

红外气体传感器:红外线照射气体，被气体吸收紅外能量，红外光强变小，测紅外光的变化可。其中，气体吸收红外后，只是气体分子振动，转动幅度变化了。就象拍蓝球，加力使球弹得更高，但球还是那个球。

化学类气体传感器:电化学CO为例: CO和水中的氧在传感器电极上发生化学反应，CO变成了二氧化碳，过程中有电子从CO中之C上流出到达对电极，由对电极上的氧气获得，对由此产生的电流或电压进行测量即可测到CO。此时CO变成了二氧化碳。

三、气体传感器的发展历程及未来

以上个世纪50年代为界，科学大发现已告一段落，从那时起，人们几乎没有发现产生重要学科的科学原理，也没有产生可以和爱因斯坦、玻尔、费米、普朗特、居里夫妇相比肩的伟大科学家，那个时代是科学史上巨匠辈出、群星璀璨的时代。我们现在使用的传感器其工作原理大都是那个年代发现的。通过上面的内容:我们至少可以判断常见的不同原理的气体传感器如:半导体、催化、电化学、红外、PID、表面声波、QCM(石英微天平)等并无先进落后之分。熟知的典型例子是PID，它擅长测试有机蒸气，却测不了甲烷，因为PID的紫外幅射能量要低于cH4分子的电离能，而没有能力解理甲烷分子。但红外气体传感器却表现优异，因此PID一点儿也不比红外先进。只是在有机蒸气测试领域PID是最佳选择。因此不同原理的传感器之间的完全替代的说法是很荒谬的。如:红外气体传感器替代催化元件，催化元件替代半导体气体传感器等。这种想法产生的根源在于:对于发展成熟的产品，人们通常会赋予超出其能力的任务。如:对化学传感器来说检测诸如NH3、乙炔等反应过程、产物复杂的气体，从原理讲不可能测得好，又因为各种原因又不得不用，直至另一种原理的传感器来让其解脱。在这种背景下，一个先进与否的传感器应更多的从工艺技术角度去判断，新的工艺技术导致的直接结果是制造过程的可控与高效，进而导致产品的可靠性、一致性的大幅度提高以及成本的降低；而且可以激发新的应用，为企业带来新的增长。典型比对:平面厚膜Vs管式厚膜半导体气体传感器；集成式红外Vs分立器件组合式红外气体传感器，激光红外气体传感器Vs分立器件組合式红外气体传感器，MEMS半导体气体传感器Vs平面厚膜半导体气体传感器，固态电化学电解质气体传感器Vs液态电解质电化学气体传感器等。需要注意的是新的工艺技术要经历很长时间才能成熟，成熟之前其性能很难与传统工艺相匹敌，但这并不能否定其先进性。

如果以催化元件为起点，目前众多门类的气体传感器的诞生在于两方面的驱动。一是我们除了测瓦斯，还需要测別的气体如CO、H2S等，而催化元件无此能力，人们只有开发能胜任新任务的传感器，并且希望新开发的传感器是一种多任务传感器以替代催化元件，但一直没有成功。电化学传感器就是这么诞生的，显然，我们不能说电化学比催化先进或反之。另一个驱动力是基于催化元件在测量瓦斯时有很恼人的问题如中毒导致寿命短、结构漂移导致测量误差大到难以预防瓦斯爆炸等。解决问题的路径两条，其中一条就是开发另一种原理的传感器；另一条是改善催化元件。第一条导致了半导体、小型红外传感器的诞生。但是到目前为止半导体在井下已彻底失败，红外除了在井下特定性区域获得小范围商业应用外，也没有成功。另一条通过化学、物理、结构等方面进行的持续改善的努力取得的进展使催化元件继续保持强大的竞争能力。在此，我们仍然不能说红外是先进的，催化是落后的。但是红外在很多其他领域的成功应用也充分证明了其价值。这里面隐含了一个重要的理念:适合的就是最好的，适合不适合一要看对传感器应用对象、领域的准确定义，二要看传感器对其擅长的检测任务的胜任能力，三是要看经济性。

什么是先进传感器技术，这个问题有点复杂。需要从两方面看即从科学原理和从技术路线看。以煤矿用催化瓦斯传感器为例:最早的瓦斯传感器是瓦斯灯，就是在矿下点燃油灯，瓦斯浓度的变化可以使灯焰的高度发生变化，这应该是历史上最早的气体传感器，也用了很多年。他最大的问题首先是灵敏度低如:1%浓度和5%浓度没什么差别；其次是信号传输即粉尘、距离可能导致看不清；再次难隔爆。最终的结果是预防事故发生的效果不好。具有现代意义的气体传感器是由美国人在1943年发明的，即催化元件的原生版铂丝线圈。首先这个传感器科学原理先进，这个科学原理使传感器可以把气体信号延伸变成可读数的电信号、可传播的声信号乃至光信号。其次工艺技术路线先进，即能够使用工业化的手段让产品易于大规模制造并更容易对制造过程进行管控使产品更以大规模制造，性能也更可靠。现在的催化元件是在此基础上加上催化载体并不断进化的结果，在以后几十年的演变中催化元件只是通过优化技术路线逐步进化改进(没有巅覆)，改善稳定性、提高灵敏度、降低功耗、延长寿命等。即目前使用的催化元件与当初的Pt线圈相比技术路线先进多了。

气体传感器为什么会有这么多门类?通俗讲:要测的气体总类太多，应用环境要求多样，任何一类传感器其擅长的检测对象都很有限，也算是传感器之术业有专攻。不同种类的传感器相互之间应用上虽然会有交叉，但在各自擅长的领域，却很难相互取代。如催化及红外元件做不到比半导体更耐用、廉价和方便，因此在家报领域，催化和红外取代半导体是极难的。红外做不到比催化更廉价和方便，因此在中低端工报领域红外取代催化是极难的。而在室温二氧化碳检测方面，红外几乎是唯一选择，等等。

从传感器到仪表:传感器是基础的核心部件，传感器的基础是功能材料及相关材料。传感器的进化有两个路经牵引，其一 是仪表牵引，即设计一款仪表时寻找匹配的传感器，如果没有现成的，如果这个需求有国防安全、民生价值，人们就会配置资源开发。这条路径在所有国家的科技规划中体现的最清楚。如:美国国防部门需要可穿戴单兵防化仪表，会催生柔性传感器及柔性电子系统包括供电系统的开发。另一条路径 是传感器推动仪表，基础科学进展的会催生新材料的诞生，如:石墨烯，无论你用或不用，它都已经存在。研究传感器的用了石墨烯，如果可行则会革了已有传感器行业的命。做仪表的用了石墨烯传感器，加上柔性电子、供电系统，如果可行，则有可能革了现有仪表行业的命。仪器的发展既需沿着自由的逻辑演化，也要密切关注传感器的进化逻辑。传感器则要关注基础材料的进化。

从磅秤到电子秤看检测仪表:磅秤到电子秤的演变从应用上客户会感到更轻便、简洁、读数直观、信息远传方便、最后会演变为多信息融合、储存、处理、传输互通、自适应的智能终端。从技术角度看这是典型的从机械技术到电子技术的跃迁。电子技术本身的发展边界已经很清晰:体积更小、功能更强大、智能化。如:应用于环境复杂的化工园区的便携式气体检测仪表，人们希望一台仪器能测到所有存在的气体信息，人们努力缩小产品体积的努力会为容纳更多种类的传感器腾出空间，使得仪表有智慧能力。现实中的应用场景至少会推动便携仪表这样演进:目前人们发现异常会亲临现场处置:关闭危险源、清理、收集等，人必定会处于危险之中。因此用于气体检测的智能机器人将会非常有意义。固定点的仪表同样会演变成智慧终端。智慧最终的目的不仅在判断更在处置。与阀连动的家报产品:报警器是大脑，阀是手，泄露了，大脑指挥手关阀。只是目前的家报智慧水平很低。因此仪表本身的演进路径看:其未来必定是智慧的集判断处置于一体的廉价设备。这也是未来工业形态智能化的核心之一。

从物质分析仪器看气体检测仪表:人们为了探明、控制生产过程、工作、生活中接触到的与人们健康、安全、生产、研究目的密切相关的物质组分、含量信息人们开发了大量的分析仪器从分子级到原子级，从气、固、液三态到等离子体。气体成份浓度分析只是物质分析中的一个分支。在介绍PID时提到PID灯要抽真空和填充高纯气体，这两个因素是PID性能的决定性因素(当然还有其他因素)。绝对的真空即除了射线没有物质存在，控制真空就需要探测，填充的气体需要对纯度进行探测等。常见的分子级分析仪器:红外气体分析仪、拉曼光谱分析、色谱、分光光度吸收计。原子级的分析仪:原子吸收光谱如紫外吸收、质谱仪等。这些分析仪析是典型的高、大、上基础核心装备，具有精确、可靠,昂贵、笨重等特点。实际上在很多领域我们对物质检测要求不需要很精确，但需要及时、便捷、·廉价、在线等。我们将复杂的气体分析仪器简化后就演变成了咱们公司便携、探测器、家报。红外原理的各种气体分析仪可以直接的演化为咱们现有的产品。PID可以看成是色谱检测部分或质谱仪的傻瓜版。电化学、催化、半导体对应的仪表则是色谱仪检测部分的简化版。

仪器仪表是人们用来读取信息的，在未来由万亿传感器构成的智慧系统，由无数大小各异的智慧系统构成的工作和生活场景中，比如一台全智慧的无人驾驶汽车，仪器仪表还会是传统的仪器仪表吗？传统的仪器仪表有会以什么样的形态、在什么样的领域延续她的生命？

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