气体传感器深度解析：分类对比和选型指南

在工业4.0与碳中和的双重驱动下，气体传感器（Gas Sensor）已从实验室仪器蜕变为守护环境安全的核心触角。据《环境气体传感器技术及市场-2023版》预测，2034年全球市场规模将突破95亿美元，年均增速6.6%。这种增长源于其在工业安全、医疗诊断、环境监测等领域的不可替代性：它们如同“电子鼻”，将无形的气体分子转化为可量化的电信号，筑起安全生产与生态保护的第一道防线。

气体传感器主要用于检测特定气体，并测量传感器周围空气中是否存在气体以及气体的浓度。它们在安全系统中至关重要，可提供有关可燃、易燃和有毒气体的信息，以及该区域的耗氧量和二氧化碳比例。

气体传感器的分类很复杂，因为需要考虑许多因素，例如工作原理、特性、测量技术、使用的材料、制造工艺、检测对象和应用领域。根据不同的工作原理进行分类是目前最常用的。以下文章将为您详细介绍三大类气体传感器，以及它们的原理、优缺点和应用。

光学型气体传感器基于气体分子对特定波长光的吸收、散射或光致反应特性实现检测，具有选择性强、抗中毒性好等特点，主要包括以下类型：

1、非分散红外气体传感器

Non-dispersive Infrared , NDIR

利用气体分子对特定红外波长的选择性吸收原理，通过红外光源、滤光片、气室和探测器组成检测系统。当目标气体进入气室时，会吸收对应波长的红外光，导致探测器接收的光强减弱，结合朗伯-比尔定律可计算气体浓度。

优势：选择性优异、高精度和稳定性、使用寿命长、不中毒。

局限：成本较高、功耗高、测量范围较窄、易受灰尘和湿气影响，无法现场检测气体流量。

应用：工业废气中CO、CH₄等气体监测，汽车尾气检测，室内CO₂浓度监控，医疗设备中患者呼吸气体分析，还可检测有毒气体。

2、可调谐半导体激光气体传感器

Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy , TDLAS

是一种先进的检测技术，基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，通过扫描目标气体的特征吸收峰，测量激光强度的衰减程度以计算浓度。

优势：高分辨率、抗干扰能力强、响应速度快、测量精度极高、灵敏度可达ppb级。

局限：成本高昂、体积较大、功耗高。

应用：高精度测量场合。

3、光离子化气体传感器

Photoionization Detector, PID

利用紫外光（UV）照射气体分子，使电离能低于紫外光能量的气体分子发生电离，通过检测电离产生的电流信号确定气体浓度。适用于检测挥发性有机化合物（VOCs）、NH₃、H₂S 等。

优势：高灵敏度、高精度、响应速度快、检测范围广、便携式设计、可实现无损检测，可检测广谱挥发性有机化合物。

局限：选择性差、初始成本高、需定期更换紫外灯、受高湿度影响，无法检测某些有毒气体（如CO）。

应用：环境监测、工业泄漏检测、加油站油气挥发监测、危险化学品事故现场应急检测。

4、光纤传输型气体传感器

Fiber Optic Gas Sensor

基于光与气体在光纤内部或表面的相互作用（如光强、相位变化）实现检测，敏感光纤包括空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤等。

优势：抗电磁干扰，适合远距离监测，寿命长，体积小。

局限：灵敏度受结构设计影响较大（优化后可达 ppb 级），选择性依赖敏感膜材料，测量范围较窄，成本较高。

应用：可检测腐蚀性气体和易燃易爆气体（如 H₂），如美国 ABB MBG 系列光纤可燃气体探测器。

5、光声光谱气体传感器

Photoacoustic Gas Sensor, PAS

结合非色散红外技术与光声效应，气体分子吸收特定波长红外光后产生热膨胀，形成声波信号，通过麦克风检测声强以确定浓度。

优势：高灵敏度、非侵入式测量、长期稳定性好、响应速度快。

局限：对环境噪声（振动、温湿度变化）敏感、价格昂贵、需定期校准。

应用：痕量气体检测、工业过程监测、医疗呼吸气体分析。

压电型气体传感器利用压电材料的振动特性随气体吸附而变化的原理实现检测，适用于低浓度气体检测，主要包括：

1、声表面波气体传感器

Surface Acoustic Wave Sensor, SAW

在压电基片上制作叉指换能器（IDT），激发声表面波。基片表面涂覆的敏感膜（如聚合物或金属氧化物）吸附目标气体后，膜层质量或电导率变化导致声波传播速度或频率偏移，通过测量频率变化检测浓度。

优势：灵敏度较高、稳定性好、响应速度较快、寿命长、体积小。

局限：易受温湿度影响、选择性依赖敏感膜材料，价格较高。

应用：低浓度 VOCs、NH₃、H₂S 检测，环境监测。

2、石英晶体微天平气体传感器

Quartz Crystal Microbalance, QCM

利用石英晶体谐振器表面的敏感膜（如导电聚合物、金属氧化物或纳米材料）吸附气体后，谐振频率变化实现检测。

优势：结构简单、成本适中、可通过敏感膜定制实现选择性检测。

局限：灵敏度受膜材料性能影响、需定期维护。

应用：人体呼吸分析、挥发性有机物检测、食品新鲜度评估。

电学型气体传感器基于气体与电极或半导体材料的电化学反应或导电特性变化实现检测，成本较低、应用最广泛，主要包括：

1、半导体气体传感器/金属氧化物式气体传感器

Semiconductor Gas Sensor/Metal Oxide Sensors，MOS

该类型传感器占市场份额的 60% 左右，核心是金属氧化物半导体材料（如 SnO₂、ZnO、WO₃）。当气体分子与半导体表面接触时，发生氧化还原反应，导致材料电导率变化，通过换能器将电导率变化转换为可测量信号。

优势：结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、响应速度快、体积小，不中毒，检测范围广，与 MEMS 技术兼容性好。

局限：测量线性范围小、背景气体干扰大、易受环境温度影响、选择性较差，非线性响应。

应用：工业环境有毒气体检测、家庭一氧化碳报警器、室外空气污染物监测、酒精呼气分析设备、汽车排放控制系统。

2、电化学气体传感器

Electrochemical Gas Sensor

电化学气体传感器测量目标气体在电极处被氧化或还原时产生的电流，并利用该电流来确定气体浓度。电化学气体传感器有四种类型：原电池型、稳定电位电解池型、浓差电池型、极限电流型。

• 原电池型气体传感器（也称为原电池型气体传感器、燃料电池型气体传感器或自发电电池型气体传感器）原理类似干电池，气体在阴极还原，阳极发生氧化反应（如氧气传感器中铅阳极氧化），电流与气体浓度成正比，适用于 O₂、SO₂等检测。

• 稳定电位电解池型气体传感器在检测可还原气体方面非常有效。通过施加恒定电压驱动电化学反应，基于库仑分析原理，是有毒有害气体检测的主流类型，适用于 CO、H₂S、NH₃等检测。

• 浓差电池型气体传感器利用气体在电化学池两侧形成的浓差电动势检测浓度，如汽车氧传感器、固体电解质 CO₂传感器。

• 极限电流型气体传感器基于电化学池中限流与电荷载流子浓度的关系，适用于汽车和钢熔体中的氧气检测。

优势：体积小、功耗低、线性度和重复性好、分辨率高、寿命较长。

局限：易受干扰气体影响、灵敏度受温度变化影响大。

应用：环境监测、生物传感、医学诊断、食品安全检测、工业生产过程控制。

3、催化燃烧式气体传感器

Pellistor / Catalytic Bead Sensors

可燃气体在催化剂表面发生催化燃烧，释放的热量使温度传感器电阻值升高，通过测量电阻变化以确定浓度。

优势：输出信号线性好、可靠性高、价格便宜、响应速度快。

局限：仅能检测可燃气体、易被硫化物等中毒、需定期校准。

应用：工业安全（如煤矿、石油、化工）、燃气泄漏监测（甲烷、丙烷、氢气等）。

4、热导式气体传感器

Thermal Conductivity Gas Sensor

基于不同气体热导率的差异，由检测元件（如铂丝）和参比元件组成惠斯通电桥。当目标气体进入检测气室时，其热导率与空气不同，导致检测元件温度变化，电桥失衡，输出与浓度成正比的电压信号。

优势：灵敏度中等、选择性良，适用于高浓度气体检测（如 H₂、CO₂）、可分析混合气体中特定组分（如天然气中的 CH₄）、成本适中。

局限：相较于高精度传感器，对低浓度气体的响应较弱，在复杂多组分气体中可能受交叉干扰影响。

应用：工业过程气体分析、天然气成分检测、钢水氧气浓度测量。

为更清晰地呈现各类气体传感器的差异，以下从灵敏度、选择性、响应时间、寿命、成本、功耗及典型检测气体等维度进行汇总对比：

1、明确测量对象与环境

目标气体特性：若检测可燃气体，优先选择催化燃烧式或红外型；检测有毒气体（如 CO、H₂S），电化学式为首选；检测 VOCs 则侧重 PID 或半导体式。

环境因素：高温环境需避免电化学式（灵敏度受温度影响大）；高湿度环境慎用 PID 和半导体式；粉尘较多的场景需为红外传感器配备过滤装置。

浓度范围：低浓度（ppb 级）检测选择 TDLAS 或 PID；高浓度检测选择热导式或催化燃烧式。

2、匹配性能指标需求

灵敏度：痕量分析需 PAS，TDLAS 或 PID；常规检测可选择半导体式或电化学式。

选择性：复杂混合气体环境（如多组分工业废气）优先选择红外型（NDIR、TDLAS）或光纤传感器；单一气体检测可选择半导体式或催化燃烧式。

响应速度：应急检测需 PID 或电化学式；长期监测对响应时间要求较低。

稳定性与寿命：长期无人值守场景（如环境监测站）选择 NDIR（>10 年）或 SAW（>10 年）；短期应用可接受电化学式（>2 年）。

3、平衡成本与维护成本

成本敏感场景：家用设备或消费电子选择半导体式或催化燃烧式。

高精度需求场景：工业监测或实验室分析选择 TDLAS 或 NDIR，接受较高初始成本。

维护频率：需减少校准次数选择红外型；可定期维护场景可选择电化学式（需定期更换）或 PID（需更换紫外灯）。

4、工程化适配性

体积与功耗：便携式设备选择半导体式或 PID；固定安装可接受 TDLAS。

集成需求：需阵列化或微型化设计时，优先选择与 MEMS 技术兼容的半导体式或 NDIR。

1、家庭燃气安全监测

需求：低成本、长期稳定、检测甲烷（燃气）和一氧化碳（不完全燃烧产物）。

推荐方案：半导体式传感器（同时检测燃气与 CO），具备低功耗特性，满足 10 年以上使用寿命要求。

2、工业有毒气体泄漏检测

需求：高灵敏度（0.1ppm）、抗干扰、实时响应。

推荐方案：半导体气体传感器、恒电位电解槽型电化学式传感器（检测 CO、H₂S）、NDIR、PID（检测 VOCs）。

3、环境空气质量监测

需求：多组分检测（CO₂、VOCs、NO₂）、长期稳定、数据可靠。

推荐方案：NDIR（CO₂）+ PID（VOCs）+ 电化学式（NO₂）组合，或采用半导体传感器阵列（电子鼻）实现复杂气体分析。

4、医疗呼吸气体监测

需求：高精度（CO₂、O₂）、非侵入式、无化学干扰。

推荐方案：NDIR（CO₂）+ 原电池型电化学式（O₂），确保检测过程不干扰患者呼吸环境。

5、工业过程控制

需求：高精度（ppm 级）、快速响应、抗恶劣环境（如高温、振动）。

推荐方案：TDLAS或催化燃烧式，搭配专用防护外壳和温度补偿电路。

气体传感器作为感知气体环境的核心器件，其技术多样性为不同应用场景提供了灵活选择。随着微型化与集成化技术的发展，气体传感器正朝着更高性能、更小体积、更低功耗的方向演进。

在下一篇中，我们将重点探讨 MEMS 气体传感器的技术特点、优势及应用，解析其如何通过微型化设计推动气体传感技术的革新。而在后续内容中，还将深入分析气体传感器的市场格局、关键技术突破及未来发展趋势，为行业从业者和研究者提供更全面的参考。