Научное приборостроение, 2021, том 31, № 4

ISSN 0868–5886                                             НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4, c. 3–29 
 

 ФИЗИКА  И  ХИМИЯ  ПРИБОРОСТРОЕНИЯ 

3 

 
УДК 681.586.67 
 
 А. М. Баранов, Т. В. Осипова, 2021 
 

СОВРЕМЕННЫЕ  ТЕНДЕНЦИИ  В  РАЗВИТИИ  СЕНСОРОВ  

ДОВЗРЫВООПАСНЫХ  КОНЦЕНТРАЦИЙ  ГОРЮЧИХ  ГАЗОВ  

И  ПАРОВ  ГОРЮЧИХ  ЖИДКОСТЕЙ (КРАТКИЙ  ОБЗОР) 

 

В данной работе представлен краткий обзор современных тенденций в развитии технологий изготовления 
сенсоров довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей. Обсуждаются различные типы газовых сенсоров, включая термокаталитический, полупроводниковый и оптический типы, а также принципы их работы. Выделены преимущества и недостатки каждого типа газового сенсора. Обсуждаются новые и традиционные технологии изготовления чувствительных элементов, обеспечивающие улучшение параметров сенсоров, таких как технологичность, миниатюризация и уменьшение энергопотребления. В заключение обзора анализируются тенденции и перспективы разработки и исследования для повышения чувствительности и селективности сенсоров. 
 
 
Кл. сл.: довзрывоопасные концентрации, сенсор, термокаталитический сенсор, полупроводниковый сенсор, 
оптический сенсор 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

На территории Российской Федерации нахо
дится большое число промышленных объектов,  
на которых возможно образование взрывоопасных 
газовых смесей, а также сотни тысяч километров 
нефтегазовых трубопроводов, а из более 60 млн 
квартир около 70% газифицировано. Ежегодно 
газифицируется еще более 1 млн квартир и домохозяйств.  

Несмотря на то, что задачи предупреждения  

и предотвращения опасных ситуаций, связанных  
с наличием смесей горючих газов в атмосфере, 
разрабатываются уже долгое время, и в Российской Федерации, и в мире в целом случается множество происшествий, причиной которых являются утечки и выбросы горючих газов, возникающие 
в процессах добычи, транспортировки, переработки, хранения и применения углеводородов. Причинами взрывов наиболее часто являются нарушения правил безопасной эксплуатации оборудования, герметичности в соединениях и отсутствие 
надлежащего контроля за технологическими процессами. Такие происшествия и в промышленности, и в быту приводят к серьезному материальному ущербу и уносят жизни людей.  

Для обеспечения безопасности жизнедеятель
ности человека, а также постоянного контроля состояния окружающей среды в промышленных  
и жилых зонах необходимы измерительные средства для определения концентрации взрывоопасных газообразных веществ в воздухе. Горючие 

газы воспламеняются (взрываются) только тогда, 
когда содержание газа в воздухе находится между 
нижним (НКПР) и верхним (ВКПР) концентрационными пределами распространения пламени. 
Значения НКПР и ВКПР для широко распространенных веществ представлены в табл. 1 [1]. При 
этом важно отметить, что чем шире диапазон между НКПР и ВКПР, тем более взрывоопасен горючий газ. 

Для контроля утечек взрывоопасных газовых 

смесей требуются сенсоры, которые позволяют 
измерять концентрацию соответствующего горючего газа в воздухе в диапазоне довзрывных концентраций, который обычно начинается от 0.1  
до 50 об.% НКПР соответствующего взрывоопасного газа или пара.  

В литературе и на рынке газовых сенсоров до
статочно широко представлены отдельные сенсоры и измерительные системы, предназначенные 
для мониторинга довзрывных концентраций газов  
и газовых смесей [2]. В данном обзоре мы сосредоточим свое внимание на сенсорах для измерения 
довзрывных концентраций различных углеводородов, исключив из рассмотрения другие взрывчатые вещества, например аммиак.  

Мы не будем также затрагивать сенсоры, которые 

предназначены для измерения концентрации водорода, за исключением случаев, когда водород входит 
в состав взрывоопасной углеводородной смеси. Это 
связано с тем, что число сенсоров для измерения 
концентрации водорода значительно больше, чем 
для измерения концентрации углеводородов.  

А. М. БАРАНОВ, Т. В. ОСИПОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

4

 
Табл. 1. Концентрационные пределы распространения пламени некоторых горючих газов 
и легковоспламеняющихся жидкостей 
 

Название вещества 
НКПР, об.% 
ВКПР, об.% 

Водород Н2 
4.09 
75 

Метан СН4 
4.4 
17.0 

Пропан C3H8 
2.3 
9.5 

Бутан C4H10 
1.8 
9.1 

Этан C2H6 
3.07 
15.0 

Гексан C6H14 
1.242 
7.5 

Ацетон C3H6O
2.9
13.0

Бензол C6H6
1.43
7.11

Керосин С12Н26
1.4
7.5

Толуол C6H5-CH3
1.25
6.7

Пентан С5Н12
1.47
7.8

 
 
 
Более подробно ситуация с сенсорами водорода 

представлена в обзорах [3, 4]. 

Основными, широко распространенными на прак
тике типами сенсоров для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих 
жидкостей являются: полупроводниковые, термокаталитические и оптические сенсоры. Каждый из 
типов сенсоров имеет свои преимущества и недостатки. А выбор того или иного типа сенсора для 
практического использования происходит исходя 
из сферы применения и поставленных задач.  

Несмотря на то, что полупроводниковые, тер
мокаталитические и оптические сенсоры известны 
уже много десятилетий, в настоящее время ведутся исследования в области улучшения их параметров, таких как чувствительность, селективность, 
срок службы и др. Кроме того, в связи с разработкой беспроводных сенсорных сетей [5], автономных газовых датчиков [6] и устройств Интернета 
вещей и Умного дома [7] основной проблемой 
стало высокое энергопотребление газовых сенсоров довзрывоопасных концентраций горючих газов [8].  

Целью данного обзора будет краткий анализ 

современных тенденций в области разработки как 
самих сенсоров, так и методик проведения измерений, которые имеют место в последнее время. 

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЕНСОРЫ 

Принцип действия полупроводниковых сенсо
ров основан на изменении проводимости чувствительного слоя полупроводникового типа при из
менении газовой среды [9] в результате адсорбции 
молекул газа на его поверхности. 

Чувствительным слоем, или элементом (ЧЭ), 

сенсоров газа являются металлоксидные полупроводниковые материалы (SnO2, ZnO, MoO3 и др.) 
или органические полупроводники (металлопорфирины). Наиболее широко в качестве ЧЭ распространены материалы на основе SnO2, ZnO, MoO3  
[10]. В последнее время также привлекает интерес 
ЧЭ на основе оксидов индия и галлия[11–13]. 

Для обеспечения измерений полупроводнико
вый слой необходимо нагревать до температуры 
несколько сотен градусов. Например, максимальная газовая чувствительность тонкопленочных 
сенсоров на основе SnO2 к этанолу и ацетону составляет 330–400 °С. Примерно такая же температура необходима и для углеводородов гомологического ряда метана. Для снижения температуры 
максимальной газовой чувствительности можно 
легировать пленку SnO2 примесями химических 
элементов редких земель или благородных металлов [14], но это усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость таких сенсоров. 

К достоинствам полупроводниковых сенсоров 

можно отнести высокую чувствительность, быстродействие, маленькие размеры и небольшую 
стоимость при массовом производстве. Основным 
недостатком данного типа сенсоров является их 
низкая селективность, что ограничивает области 
их применения. 

Поэтому основными тенденциями в развитии 

полупроводниковых сенсоров являются повышение селективности  сенсоров  [15]  с   одновременным уменьшением их энергопотребления [16], 

СОВРЕМЕННЫЕ  ТЕНДЕНЦИИ  В  РАЗВИТИИ  СЕНСОРОВ  

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

5

что необходимо для создания автономных газовых 
датчиков, в частности для беспроводных сенсорных сетей [5]. 

Типичный подход к снижению энергопотреб
ления в полупроводниковых и каталитических 
сенсорах заключается в уменьшении размера сенсора, чтобы уменьшить нагреваемый объем, включающий в себя подложку и нагреватель с нанесенным на него чувствительным полупроводниковым 
слоем [17]. Чтобы решить эту задачу, реализуется 
переход от объемной технологии к планарной,  
в которой нагреватель уже выполнен в виде меандра, нанесенного на подложку. В качестве материала нагревателя используют платину, никель, 
поликремний, нихром и др. При этом сама подложка должна быть как можно тоньше и фактически превращается в мембрану (рис. 1) [18]. 

 

Наиболее широкое распространение получили 

мембраны на основе оксида алюминия [19] и многослойные мембраны на основе кремния [20]  
с платиновым нагревателем. Оксид алюминия хорош тем, что его температурный коэффициент 
расширения (ТКР) практически совпадает с ТКР 
платины. Кроме того, платина имеет хорошую адгезию к оксиду алюминия,  а сам  оксид  алюминия — прочный материал. Но получение мембран 
оксида алюминия представляет достаточно серьезную проблему [21, 22].  

Кремниевая технология гораздо лучше отрабо
тана, и создание мембран на основе оксида или 
нитрида кремния не представляет больших сложностей. Но, чтобы обеспечить равенство ТКР платины и мембраны и снизить термические напряжения, уже необходимо создавать многослойные 
мембраны   (в частности,  SiO2 / Si3N4  [17]).    Это   

 

 
 

 

 

Рис. 1. Дизайн сенсоров, выполненных по тонкопленочной технологии (рисунки воспроизведены из источников, указанных в "Списке литературы"). 
a)  Микросхема Cera MEMS на основе тонкой пленки оксида алюминия (1 — керамическая 
подложка толщиной 0.6 мм с отверстиями; 2 — слой стеклянного связывающего вещества; 
3 — тонкая пленка оксида алюминия, изготовленная электролизом искрового окисления 
алюминия; 4 — газочувствительный слой; 5 — просверленное лазером отверстие; 6 — платиновый нагреватель в виде меандра; 7 — контактные площадки к нагревателю и цифровому электроду; 8 — цифровой электрод на чувствительном слое) [22]. 
б) Схема нагревательного элемента после лазерной обработки. 
в) Схема (с размерами) сенсорной структуры на основе MEMS-технологии [17] 

 
 
 
 

60 nm

а
б

в

А. М. БАРАНОВ, Т. В. ОСИПОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

6

решает проблему с ТКР, но остаются проблемы  
с адгезией платины, которые пытаются решать 
путем создания промежуточных подслоев металлов, в частности титана, а также стабильности 
мембран при рабочих температурах [23]. Сам нагреватель может быть нанесен на мембрану методами вакуумного напыления [24], трафаретной 
печати [25] или с помощью принтера [26]. 

В последнее время появились статьи с более 

экзотическими 
материалами 
для 
мембран: 

ZrO2 / Y2O3 [27] или боросиликатного стекла [28], 
хотя температура деформации последнего ниже 
600 °C. 

За последние десятилетия разработано большое 

число различных полупроводниковых сенсоров 
для мониторинга углеводородов в воздухе. Тем не 
менее разработки сенсоров продолжаются по разным направлениям (дизайна сенсоров, материала 
подложки и чувствительного слоя, способа нанесения нагревателя и чувствительных элементов),  
в том числе для детектирования метана [9, 10, 15–
17], этанола [11, 12, 29, 30], пропана [11, 31], формальдегида [13] и других веществ. 

Результаты анализа сведены в табл. 2, где крат
ко описана технология получения полупроводникового ЧЭ, указаны рабочие температуры и чувствительность (S) сенсора. 

С точки зрения методик проведения измерений  

общей тенденцией является разработка импульсных и динамических режимов проведения измерений, при которых происходит изменение температуры чувствительного элемента [11, 22, 33, 34]. 
Это увеличивает объем получаемых данных, что 
позволяет улучшить селективность измерений 
(рис. 2) при сохранении высокой чувствительности. Таким образом, можно создать эффективные 
мультисенсорные системы мониторинга с милливатным энергопотреблением [16]. 

На основе проведенного анализа можно сделать 

вывод, что, хотя полупроводниковые сенсоры 
подходят для мониторинга углеводорода в диапазоне довзрывных концентраций, их основной областью применения является мониторинг примесей в воздухе в районах размещения промышленных предприятий и в жилых зонах в диапазоне 
ppm концентраций. 

 
 

Табл. 2. Результаты анализа исследовательских работ [11, 13, 29, 31, 32] 

 

Газ 
ЧЭ 
Технология получе
ния пленки 

Рабочая температура, ℃ 

Чувствительность S* 

при воздействии  

25 ppm детектируемого 

газа 

Источник 

С2H5OH, 
C3H6O, 
C3H8 

In2O3 – Ga2O3 

Изготовление 

мишеней состава 
50% In2O3 –50% 
Ga2O3, лазерное 

напыление 

386–742 

20.5 [1] 

24.4[1] 

1.8[1] 
[11] 

CH2O 
SnO2,  легирован
ный Ga 

Распылительный 

пиролиз 
230 
47.9[2] 
[13] 

С2H5OH 
WO3 – Ga2O3 
Термическое ис
парение 
200 
0.65[2] 
[29] 

H2, 
C3H8 

SnO2/Pt/Pd, 
In2O3/AlO3/Pt 
Золь-гель метод 
450–500 
1.5[3]

0.193 [3] 
[31] 

CH3OH, 

CH4 
SnO2/La2O3/MoO3/Pt 
Осаждение SnO2 

из раствора 
SnCl4∙5H2O 

415 

146[2]

50[2] 

[32] 
CH3OH, 

CH4 
SnO2/La2O3/Va2O5/Pt 
109[2]

2.5[2] 

 
* В литературе чувствительность S полупроводниковых газовых сенсоров определяется следующими соотно
шениями: [1] — 


0
;

g

g

R
R

S
R




  [2] — 
0 ;

g

R
S
R

 [3] — 


0

0

g
R
R

S
R




, где R0 и Rg  — сопротивление пленки в атмо
сфере воздуха и в воздухе с пробой детектируемого газа соответственно 

 
 
 
 

СОВРЕМЕННЫЕ  ТЕНДЕНЦИИ  В  РАЗВИТИИ  СЕНСОРОВ  

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

7

 

Рис. 2. Отклик сенсоров в различных режимах работы. 
а — отклик сенсора, работающего в циклическом импульсном режиме нагрева (нагрев до 450 ℃ в течение 
3 с с последующим удержанием при 110 ℃ в течение 10 с) на метан, монооксид углерода и водород [15]; 
б — отклик сенсора на основе легированной Pd пленки SnO2 на насыщенные пары ацетона, формальдегида, 
этанола и метанола при 20 °С в повторяющейся температурной последовательности (последовательность 
температурных импульсов, состоящая из 100 мс импульсов в диапазоне от 20 до 450 °С с шагом температуры 5 °С) [35] 
 
 

2. ОПТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ 

Основное преимущество оптической техноло
гии заключается в бесконтактном способе анализа 
концентрации детектируемого газа [36]. Недисперсионный инфракрасный метод (NDIR) — это 
основная технология, используемая в ИК-сенсорах 
газа. Методика основана на способности молекул 
детектируемого газа избирательно поглощать излучение в инфракрасной области спектра. При 
этом изменение концентрации детектируемого 
газа в воздухе вызывает изменение поглощения 
ИК-луча. 

Кроме широко используемого адсорбционного 

метода спектрального анализа газового состава, 
существуют и другие принципы работы оптических сенсоров [37]. В частности, можно регистрировать изменения спектров диффузного рассеяния 
или отражения света от подложки или изменения 
интенсивности люминесценции ЧЭ, который содержит органические люминофоры, изменение 
которых зависит от взаимодействия с молекулами 
детектируемой смеси. 

Основными элементами конструкции оптиче
ского сенсора являются: источник и приемник излучения, рабочая камера, селективный отражатель 
и плата обработки и связи [38]. Оптическая схема 
оптических сенсоров традиционно построена по 
двухканальной схеме измерения с применением 
рабочего (измерительного) и опорного (сравнительного) каналов (рис. 3). 

Принцип работы оптических сенсоров основан 

на регистрации изменения интенсивности излучения, взаимодействующего с исследуемой газообразной средой на некоторых характерных для этой 
среды длинах волн. Выделение рабочего диапазона 
длин волн из широкополосного спектра излучателя 
происходит с применением интерференционных 
фильтров [40], либо используется дискретное излучение на одной или нескольких длинах волн [41]. 

К достоинствам оптических сенсоров можно 

отнести высокую чувствительность, селективность, стабильность в работе, устойчивость к отравлению, быструю реакцию на увеличение концентрации и способность функционировать в бескислородной среде. К недостаткам следует отнести невозможность детектирования газов, которые 
не поглощают ИК-излучение (в частности, водорода), агрессивная среда использования может 
увеличить стоимость обслуживания и, как следствие, стоимость самого сенсора.  

Основным преимуществом оптических сенсо
ров по сравнению с другими типами является отсутствие прямого контакта детектируемой смеси  
с источником и приемником излучения, т.к. сквозь 
газовую среду проходит луч света, а источник  
и приемник защищены прозрачными окнами  
из химически стойкого стекла. Потому для оптических сенсоров безопасны агрессивные вещества 
и соединения, выводящие из строя все другие типы сенсоров, в основе которых лежат химические 
реакции. Кроме того,  оптические сенсоры  можно 

а
б

А. М. БАРАНОВ, Т. В. ОСИПОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

8

 

 

 

 

Рис. 3. Схемы измерения с применением оптических сенсоров. 
а — оптический сенсор для локальных измерений [39]; 
б — принцип измерения с помощью трассового газоанализатора (открытого пути)  
(1 — излучатель, 2 — приемник излучения) 

 
 

перестраивать под другой вид газа за счет изменения длины волны излучения. 

Оптические сенсоры способны работать в ши
роком диапазоне температур (от –60 до +85 °С), 
что позволяет использовать их как в закрытых помещениях, так и на открытых площадках, в местах, где возможно появление метана, пропана или 
паров нефтепродуктов, в том числе в бескислородной среде. 

В последнее время на основе инфракрасной аб
сорбционной спектроскопии было разработано 
множество систем обнаружения углеводородов  
в воздухе [42, 43]. Наиболее перспективным направлением в области разработки газоаналитиче
ских систем для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей в настоящее время можно считать оптикоабсорбционный метод в диапазоне длин волн 
3000–4000 нм, т.к. в этом диапазоне расположены 
линии поглощения большинства углеводородов 
(рис. 4) [44].  

Большинство исследовательских работ в области 

оптических сенсоров посвящены сенсорам метана.  
В ближней ИК-области спектр метана имеет три линии поглощения, на длине волны 1.65 мкм, 2.33 мкм  
и 3.3 мкм. НКПР метана составляет 4.4 об.%.  В связи с этим задача мониторинга состоит в детектировании метана на уровне порядка 1 об.%.  

а

б

СОВРЕМЕННЫЕ  ТЕНДЕНЦИИ  В  РАЗВИТИИ  СЕНСОРОВ  

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

9

 

 

 
 
До последнего времени для анализа концентра
ции метана в воздухе в основном использовалась 
наиболее сильно поглощающая линия метана  
на длине волны 3.3 мкм. При этом в качестве источников излучения использовались миниатюрные 
лампы накаливания (в частности, ксеноновые), 
имеющие непрерывный спектр излучения в ближней ИК-области. Так как ксеноновые лампы излучают в широком диапазоне длин волн, то обязательным условием проведения измерений является 
необходимость использования интерференционных фильтров. 

В последнее время благодаря прорыву в техно
логии выращивания полупроводниковых гетероструктур появились возможности создавать полупроводниковые светодиоды, лазерные диоды и перестраиваемые лазеры с распределенной обратной 
связью (DFB-лазеры), излучающие практически  
на любой длине волны в ближнем  ИК-диапазоне 
(1.6–5.0 мкм) [41]. Это позволило существенно 
улучшить параметры оптических сенсоров (габариты, энергоэффективность, надежность). В частности, были разработаны газоанализаторы метана  
на длине волны 1.65 мкм [45]. Однако линия метана 
на 1.65 мкм на два порядка слабее линии на 3.3 мкм 
и лежит близко к сильной линии поглощения воды. Это затрудняет проведение анализа при использовании в качестве источников света полупроводниковых светодиодов, т.к. у них достаточно 
широкая полоса излучения. Поэтому в качестве 
источников излучения используются перестраиваемые лазерные диоды, излучающие на длине 
волны 1.65 мкм, например DFB-лазеры [46]. Так 
как спектр метана линейчатый, а лазерный светодиод имеет очень узкую линию, то в данном мето
де необходимо настраиваться на одну из полос 
поглощения и оставаться на ней вне зависимости 
от условий окружающей среды, температуры полупроводника и протекающего через лазерную 
структуру тока. В целом лазеры с перестраиваемой частотой гораздо более дóроги и сложны  
в эксплуатации, чем светодиоды. 

При этом важно также отметить, что использо
вание 
полупроводниковых 
светоизлучающих 

структур на длине волн 3.3 мкм затруднено из-за 
их узкой ширины запрещенной зоны, приблизительно равной 0.38 эВ. Поэтому фактически уже 
при комнатной температуре имеет место переход  
к собственной проводимости, что вызывает сильную зависимость электропроводности от температуры и уменьшает излучательную рекомбинацию, 
а следовательно, требуется либо принудительное 
охлаждение до температур, ниже комнатных, либо 
сложная электрическая схема управления питанием [47] и специализированные алгоритмы обработки сигналов [48]. Кроме того, оптическая мощность светодиодов ближнего ИК-диапазона (0.8–
2.5 мкм) на несколько порядков выше, чем для 
среднего ИК-диапазона (2.5–25 мкм). 

Частично указанные выше проблемы удалось 

решить при разработке оптического сенсора взрывоопасных газов с ультранизким энергопотреблением [48], изготовленного на основе гетерогенных 
полупроводниковых структур. Данный сенсор 
имеет рекордно низкое энергопотребление —
менее 5 мВт. 

Авторы работы [49] исследовали возможности 

применения явления поверхностного плазмонного 
резонанса для обнаружения паров метанола. Поверхностный плазмонный резонанс — нарушение 

Рис. 4. Спектры поглощения углеводородов 
(метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан 
С4Н10, пентан С5Н12, гексан С6Н14) [44] 
 

А. М. БАРАНОВ, Т. В. ОСИПОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

10

условия полного внутреннего отражения, при котором значительная часть энергии падающего  
на поверхность металлической пленки света превращается в энергию плазмонов, в результате чего 
интенсивность отраженного от поверхности металлической пленки света резко падает [50]. Экспериментальные исследования подтвердили возможность применения в соответствии с требованиями ПДК (5 мг/м3, что примерно соответствует 
0.37 об.%), установлена практически линейная зависимость. 

Инфракрасная спектроскопия позволяет реали
зовать как локальные измерения (в месте расположения оптического сенсора), так и дистанционные измерения наличия контролируемых газов 
вдоль протяженных объектов (например, вдоль 
периметра промышленного предприятия, линий 
трубопроводов и т.д.). К последним относятся так 
называемые детекторы открытого оптического 
пути (open-pathdetector) [51–53]. 

Детектор открытого оптического пути (или 

трассовый газоанализатор) состоит из двух независимых блоков — излучательного и измерительного, размещенных на расстоянии друг от друга 
(рис. 3). В качестве источников и приемников излучения могут использоваться галогенные лампы 
или полупроводниковые структуры на основе  
GaInAsSb/AlGaAsSb (в диапазоне 1.6–2.4 мкм)  
и InAsSb/InAsSbP (в диапазоне длин волн 2.7–
4.7 мкм) [53]. В работах [51–53] авторами представлена двухлучевая оптическая схема с длинами 
волн 2.3 и 1.7 мкм. 

В последнее время идет развитие волоконно
оптических газовых датчиков [54]. В основе их 
принципа работы лежит интерферометрический 
или абсорбционный способ измерения. Введение 
специального оптического волокна и оптимизация 
различных параметров способствуют улучшению 
характеристик обнаружения. Однако это требует 
дорогостоящего оборудования и сложного метода 
обработки или анализа данных. При этом оптическое волокно является устройством доставки света 
в точку измерения (к оптическим датчикам). Появляющийся в любом из датчиков газ частично 
поглощает свет и накладывает на отраженный 
сигнал уникальный, зависящий от концентрации 
отпечаток. Анализ отраженных сигналов позволяет определить концентрацию газа в каждой точке 
зондирования.  

На основе проведенного анализа оптических 

сенсоров можно заключить, что данное направление активно развивается [37]. Основной тенденцией является переход от ламповых источников излучения к полупроводниковым, а также развитие 
волоконно-оптических газовых газоанализаторов 
и детекторов открытого оптического пути. По мере технологического прогресса постоянно умень
шаются габариты излучателей и детекторов, что 
позволяет сделать миниатюризацию одним из основных направлений развития подобных устройств.  

3. ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ 

Термокаталитический сенсор представляет из се
бя нагреватель с нанесенным на него пористым 
оксидным носителем (наиболее часто используется Al2O3), который пропитан катализатором, содержащим металлы платиновой группы.  

Принцип работы термокаталитических сенсо
ров состоит в увеличении температуры нагревателя за счет тепла, выделяющегося при беспламенном сгорании углеводорода на катализаторе. Повышение температуры приводит к изменению 
электрического сопротивления нагревателя в практически линейной зависимости от концентрации 
газа. Далее изменения электрического сопротивления в соответствующей измерительной схеме 
преобразуются в выходной сигнал. Практически 
линейная выходная характеристика в диапазоне 
довзрывных концентраций горючих газов является 
преимуществом термокаталитических сенсоров.  

В силу своей основной особенности —

термокаталитического окисления горючих газов 
термокаталитические сенсоры реагируют на практически всю совокупность горючих газов и паров, 
что создает предпосылки для определения утечек 
любых горючих газовых смесей независимо от их 
состава.  

Вместе с тем основными недостатками этих 

датчиков являются низкая селективность к конкретным горючим газам, которая делает возможным их ложное срабатывание от нецелевых горючих газов и паров (например, пары спирта, лаки  
и краски), и высокое энергопотребление (порядка 
100 мВт), не позволяющее создать автономные 
приборы с длительным сроком службы. Кроме 
того, их чувствительность уменьшается на десятки 
процентов за год работы, что приводит к необходимости их регулярной поверки и замены. Датчики 
подвержены отравлению различными газами, присутствие которых возможно в промышленных  
или бытовых условиях, а также перегоранию. Оба 
фактора приводят к потере ими работоспособности. 

Для улучшения эксплуатационных характери
стик термокаталитических сенсоров и преодоления указанных выше недостатков требуется проведение исследований и разработок, направленных 
на создание энергоэффективных высокочувствительных селективных термокаталитических датчиков и методов измерения концентраций горючих и взрывоопасных газов и их смесей, в том 
числе неизвестного состава. А также методов  
и средств их защиты от потери работоспособности. 

СОВРЕМЕННЫЕ  ТЕНДЕНЦИИ  В  РАЗВИТИИ  СЕНСОРОВ  

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

11

Типовой термокаталитический сенсор пред
ставляет собой два чувствительных элемента (рабочий и сравнительный), включенные в мостовую 
схему, которая позволяет частично компенсировать изменение параметров окружающей среды. 
Отличие рабочего от сравнительного элемента состоит в том, что на первый нанесен катализатор. 
Сравнительный элемент не обладает чувствительностью к горючим газам и предназначен для компенсации окружающих условий. 

Термокаталитические сенсоры "специализиру
ются" на горючих газах, таких как метан, пропан, 
водород, и парах горючих жидкостей, таких как 
бензол, толуол, ацетон [55-60].  

Катализаторы, содержащие металлы платино
вой группы [61], являются наиболее широко распространенными и перспективными для использования в составе термокаталитических сенсоров 
благодаря высокой активности при 400–500 °С, 
что соответствует температурному диапазону, в котором возможно использование платиновых нагревателей как в виде свободно висящих спиралей 
[62] (термокаталитические сенсоры пеллисторного 
типа) (рис. 5, а), так и в виде меандров (рис. 5, б), 
нанесенных на подложку (или мембрану) по толсто- или тонкопленочной технологии [19, 63]. 

Среди всех металлов платиновой группы наи
более часто используются палладий или палладий 
совместно с платиной. При этом катализаторы, 
содержащие палладий и платину, характеризуются 
более высокой активностью [65, 66]. 

Для регистрации отклика термокаталитических 

сенсоров используется как мостовая электрическая 
схема, так и схема с делителем [67]. Возникающая 
в схеме с делителем необходимость компенсации 
параметров окружающей среды (температуры, 
влажности и давления) решается путем использования разностного сигнала в двух разных температурных точках [68]. 

В качестве нагревающего напряжения исполь
зуется постоянное (или периодически повторяющиеся импульсы) напряжение [69], переменное 
напряжение [70], многоступенчатые нагревающие 
импульсы [71] и температурное сканирование [15, 
72]. Для формирования многоступенчатых импульсов напряжения обычно используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) [8], а для постоянного напряжения — линейные стабилизаторы напряжения. 

Одной из самых частых причин отказов термо
каталитических сенсоров является перегорание 
платиновой спирали. В силу того, что температура 
сенсора остается более-менее постоянной, мостовая измерительная схема в меньшей степени приводит к перегоранию сенсоров. Основным способом защиты от перегорания нагревателя является 
плавный нагрев сенсора. Вместе с тем при плав
ном нагреве сенсора нагрев осуществляется в течение гораздо более длительного времени, что 
приводит к увеличению потребляемой мощности. 
Предполагается, что при использовании широтной 
модуляции нагревающих импульсов можно обеспечить достаточно медленную скорость нагрева, 
повысив отказоустойчивость термокаталитических 
сенсоров, при сохранении низкой потребляемой 
мощности. 

Как правило, каждый термокаталитический 

сенсор калибруется под конкретный газ (метан, 
пропан, другие углеводороды). Однако на промышленных производствах, в частности в нефтехимической промышленности, как правило, в воздухе присутствуют смеси взрывоопасных углеводородных газов и паров неизвестного состава. Поэтому задача определения степени взрывоопасности смесей горючих газов и паров в случае, когда 

 

 

Рис. 5.  Внешний вид термокаталитических сенсоров 
разных типов. 
а — внешний вид термокаталитического сенсора пеллисторного типа  [64]; 
б — 3D модель сенсора планарного типа  [61] 
 

а

б

А. М. БАРАНОВ, Т. В. ОСИПОВА 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 4 

12

неизвестны состав и концентрация компонентов 
смеси, является актуальной. Ее решение позволит 
расширить арсенал технических средств для предупреждения и предотвращения возникновения 
чрезвычайных ситуаций, связанных с утечками 
горючих газов в бытовых условиях и на предприятиях нефтегазовой отрасли. 

Для проведения измерений термокаталитиче
ский сенсор калибруется в двух точках: при нулевой и известной концентрации газа (в диапазоне 
НКПР концентраций горючих газов отклик сенсора является линейной зависимостью). Таким образом, фактически измеряется конечная температура 
сенсора при известной концентрации, т.е. результатом является только одно измеренное значение 
температуры (точнее, значение напряжения или 
тока в зависимости от схемного решения). Сенсоры обычно калибруются на метан, для измерения 
концентрации других углеводородов существуют 
коэффициенты для пересчета. Чтобы ими воспользоваться, тип углеводорода в воздухе должен быть 
известен. 

Поэтому в случаях, когда стоит задача измере
ния концентрации компонентов в газовых смесях, 
требуется использование мультисенсорных газоанализаторов, оптических спектрометров или другого оборудования мультигазового анализа [73, 
74]. Это однозначно усложняет оборудование  
и методики для проведения измерений, а также 
удлиняет и удорожает процесс мониторинга. 

Оценка взрывоопасности смеси горючих газов 

начинается 
с 
распознавания 
всех 
входящих  

в смесь газов, потом определяется их концентрация, вычисляется НКПР газовой смеси и прово
дится его сравнение с теоретическим значением 
для этой смеси. На основе проведенного сравнения уже оценивается уровень взрывоопасности.  
В то же время распознавание горючих газов в смеси для определения вероятности взрыва является 
промежуточной задачей, которая необходима  
в традиционном подходе для определения НКПР 
газовой смеси. Поэтому перспективным является 
подход в определении степени взрывоопасности 
смеси углеводородных газов и паров без распознавания отдельных газов. Недавно для этой цели 
был разработан метод определения степени взрывоопасности многокомпонентных углеводородных 
газовых смесей неизвестного газового состава  
в воздухе за счет измерения интегрального количества тепла, выделяющегося при каталитическом 
сгорании углеводородной смеси в камере термокалитического сенсора в режиме диффузионного 
ограничения натекания, в том числе и при присутствии водорода в смеси [75]. 

Предложенный метод определения степени 

взрывоопасности многокомпонентных углеводородных газовых смесей неизвестного газового состава основан на том, что произведение значения 
НКПР (CLEL) отдельного газа на значение теплоты 
его сгорания (Q0) приблизительно одинаково для 
большинства горючих газов и паров (± 10%) 
(табл. 3). Поэтому, если проводить измерение теплоты, выделившейся при сгорании в камере сенсора, то можно установить вероятность взрыва смеси 
горючих газов без знания ее состава (при этом не 
важно, имеем мы дело со смесью газов или с одним конкретным газом). 

 
 
Табл. 3. Значения НКПР (CLEL) и теплоты сгорания (Q0) углеводородов 
 

№ 
п/п 
Горючий газ 
Концентрация 

CLEL, % 

Теплота сгорания 

Q0, ккал/моль 
CLEL Q0, ккал/моль 

1  

Метан CН4 
Этан C2H6 

Пропан C3H8 
Бутан C4H10 

4.4/5.0 
2.5/3.0 
1.7/2.1 
1.4/1.6 

191.554 

344.3 
498.6 
661.1 

8.428/9.77 
9.411/10.34 
8.49/10.47 
9.25/10.57 

2  
Бензол C6H6 
Толуол C7H8 

1.2/1.3 
1.1/1.2 

832.88 
899.86 

9.99/10.82 
9.90/10.79 

3  
Метанол CH3OM 
Этанол C2H5OM 

5.5/6.7 
3.1/3.3 

182.43 
336.295 

10.034/12.22 
10.425/11.09 

4  

Этилен C2H4 

Пропилен C3H9 

Бутан C4H8 

2.7/2.7 
2.0/2.4 
1.6/1.6 

314.799 
458.345 
607.29 

8.48 

9.16/11.00 

9.71 

5  
Ацетон CM3-CO-CM3 
2.5/2.6 
435.029 
10.876/11.31 

6  
Ацетилен C2H2 
2.5/2.5 
310.739 
7.77