氣體傳感器的發(fā)展現狀與未來(lái)展望

作者：Radislav Potyrailo、Ryotaro Sakauchi、Sreeni Rao和Christian Meyer

關(guān)于氣態(tài)或揮發(fā)性污染物對健康影響的新知識層出不窮，它們不斷向人們強調著(zhù)對室內外空氣質(zhì)量進(jìn)行監測的必要性。許多揮發(fā)物即使是處于微量水平，在短時(shí)間暴露后，仍然會(huì )對人體健康有害。越來(lái)越多的消費品和工業(yè)產(chǎn)品都可能排放已知有害的揮發(fā)物，包括家具、乘用車(chē)和工業(yè)卡車(chē)。人們對檢測氣態(tài)污染物的關(guān)注度不斷上升，希望通過(guò)建立相關(guān)有效的響應機制降低或消除這種健康風(fēng)險。

許多國家以及國際組織一直在致力于制定各種指南、法規和標準，以監測工業(yè)、醫療、戶(hù)外、室內辦公以及住宅環(huán)境中的空氣質(zhì)量。根據這些指南，制造商可以對其產(chǎn)品進(jìn)行認證，也可以讓用戶(hù)了解可最低限度接受的氣態(tài)污染物水平。例如，美國環(huán)境保護署 (EPA) 就利用尖端科學(xué)制定法規，以高性?xún)r(jià)比的方式減少并控制空氣污染。對于最常見(jiàn)的污染物，EPA 每五年整理一次數據，重新評估空氣法規的完善性。該機構還明確了可能影響空氣質(zhì)量的特定化學(xué)物及其來(lái)源，如汽車(chē)、卡車(chē)和發(fā)電廠(chǎng)。EPA的主要目標之一就是將污染物與帶來(lái)健康風(fēng)險的主要來(lái)源關(guān)聯(lián)起來(lái)。

四種主要的戶(hù)外空氣污染物為O3、NO2、SO2和CO，這些氣體均可使用 EPA 核準的儀器進(jìn)行監測。再結合來(lái)自粒子探測器的數據，測量結果可進(jìn)一步用于計算空氣質(zhì)量指數 (AQI)。室內空氣中的揮發(fā)物則更加具體，它取決于是住宅還是辦公樓、人員數量、家具類(lèi)型、通風(fēng)系統等因素。主要揮發(fā)物包括CO2、甲醛和苯。

監測空氣污染物的重要性與日俱增，但現有技術(shù)解決方案卻尚不能滿(mǎn)足現代用戶(hù)在數據質(zhì)量和成本效益方面的期望。

氣體監測傳感器的類(lèi)型

用于空氣質(zhì)量監測 (AQM) 的氣體分析儀有兩大類(lèi)。根據監管部門(mén)接受度，排名第一的仍是傳統分析儀器，例如氣相色譜 (GC)、質(zhì)譜 (MS)、化學(xué)發(fā)光 (CL)、紫外/可見(jiàn) UV/VIS、激光和光聲系統。多年以來(lái)，這些現場(chǎng)便攜、甚至可穿戴的傳統技術(shù)已經(jīng)表現出卓越的性能，而且多數已獲得 EPA、世界衛生組織 (WHO) 和其他國家及國際組織的批準或認可。但對用戶(hù)而言，傳統分析儀也存在諸多缺陷，例如使用成本過(guò)高、電力需求大，并且通常需要頻繁的維護。這限制了它們在廣泛性氣體監測中的普遍采用。

排名第二的是基于不同設計原理的傳統氣體傳感器，如基于電化學(xué)和金屬氧化物 (MOx) 、Pellistor、非色散紅外 (NDIR) 或其他。為了應對的氣體傳感器應用繁多的現狀，如消費者可用的室/內外 AQM、醫療診斷和國土安全等不同領(lǐng)域的應用，人們對價(jià)格合理且高性能傳感器的需求凸顯。

近年來(lái)，氣體傳感器制造商已經(jīng)采取了一些新的技術(shù)和制造規范，包括電化學(xué)傳感器中的非水電解質(zhì)，以及MOx、Pellistor 和 NDIR 傳感器中采用的微加工MEMS技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了功率、成本以及尺寸方面的優(yōu)化。尤其是尺寸方面的進(jìn)步更加醒目，部分現代傳感器的尺寸甚至從一顆櫻桃的大小縮小到一粒米的大小。

氣體傳感器的市場(chǎng)發(fā)展趨勢

為了解不斷增長(cháng)的氣體傳感器市場(chǎng)趨勢，SEMI MEMS 和傳感器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 (MSIG) 聯(lián)絡(luò )了多家氣體傳感器系統開(kāi)發(fā)商，研究現有的傳感器模塊是否能夠滿(mǎn)足他們的需求，明確傳感器制造商們需要解決的共同痛點(diǎn)，以便跟上要求苛刻的新應用的腳步。

在參與調查的公司中，目標應用范圍從個(gè)人健康監測到智慧城市的大范圍環(huán)境監測不等。大多數公司都指出，空氣質(zhì)量是其關(guān)注的主要參數。盡管用例不同，但多數公司都希望他們的應用能夠在室內和室外環(huán)境中以同樣高精度水平的工作。

然而，調查結果顯示，并沒(méi)有一款適合所有用例的解決方案。室內和室外的污染物不同，針對不同污染物的檢測技術(shù)能力也各有所長(cháng)。

該次調查收集了傳感器的各項參數數據，包括精度、尺寸、數據速率、功耗、標定和價(jià)格，以及每個(gè)參數對其應用的影響。這些公司還提供了對裸傳感元件以及傳感器系統的評價(jià)。傳感器系統中包含了標定、數據傳輸和傳感器邏輯等輔助組件。

精度：在沒(méi)有混雜氣體的情況下進(jìn)行測量時(shí)，大約一半的受訪(fǎng)公司對市場(chǎng)現有傳感器的精度感到滿(mǎn)意。氣體傳感器制造商正在努力提高傳感器對目標氣體的選擇能力，同時(shí)降低其他氣體的干擾。報告中對漂移和標定等其他問(wèn)題也有提及。

近幾年來(lái)，氣體傳感器在大多數關(guān)鍵性能參數方面都有了巨大的改善。MEMS等新技術(shù)也越來(lái)越多地綜合利用傳感器硬件、集成氣體過(guò)濾器和軟件技術(shù)，以提高性能，并達到可以與傳統分析儀器解決方案相媲美的性能水平。

基于介電激發(fā)的多氣體傳感器（由GE Research 提供）

尺寸：此次調查涉及的傳感器封裝尺寸從3mm x 3mm到10mm x 10mm不等。氣體傳感器的尺寸取決于設備采用的技術(shù)。金屬氧化物傳感器的尺寸可以很小，滿(mǎn)足3mm x 3mm的尺寸要求；而NDIR、電化學(xué)和Pellistor傳感器則相對較大。

數據速率：多數參與調查的公司并未報告他們偏好的數據速率，提供信息的頻率從每秒一次到每10分鐘一次不等。通常，氣體傳感器的數據速率應與所監測氣體濃度變化的預期時(shí)間常數相當。例如，智能辦公大樓可以根據被監測房間的體積和空氣交換速度，以每1-10分鐘一次的數據速率檢測二氧化碳濃度的變化。相比之下，考慮到室外有風(fēng)模式的動(dòng)態(tài)條件，在智慧城市的都市環(huán)境中檢測公共汽車(chē)站附近氣體的突變，其數據速率應約為每秒一次。

功耗：各公司提交的數據顯示，功耗范圍從100μW到1W不等。我們猜測如此寬范圍可歸因于設備是電池供電還是線(xiàn)路供電。氣體傳感器是系統的一部分，通常需要直接在系統功耗與其數據速率之間進(jìn)行權衡，降低數據速率將有助于降低功耗。但現代氣體傳感器系統設計具備數字接口和可編程性，利用睡眠模式、斷電或其他類(lèi)似技術(shù)也可優(yōu)化功耗。

標定：參與調查的公司都存儲了特定應用的標定參數，無(wú)論是采用裸傳感元件還是傳感器系統。大多數公司都希望氣體傳感器系統在出廠(chǎng)之前進(jìn)行標定，但同時(shí)也希望提供下線(xiàn)標定（End of Line Calibration）的選擇。令人意外的是，這些公司都表示愿意在發(fā)貨前進(jìn)行下線(xiàn)標定，盡管這通常會(huì )增加成本。這種意愿表明了高精度的重要性，而且各公司都愿與傳感器制造商共同努力，實(shí)現這一目標。

價(jià)格：對于氣體傳感器當前的定價(jià)，各公司的滿(mǎn)意度則參差不齊，具體取決于他們購買(mǎi)的是裸傳感元件還是包含標定、數據傳輸、傳感器邏輯或其他功能的傳感器系統。預期價(jià)格范圍從大批量消費設備的幾美元到工業(yè)或汽車(chē)用例的10多美元不等。

最新的氣體傳感技術(shù)進(jìn)步使降低成本成為可能。例如，通常采用體硅工藝的 MEMS解決方案就有降低成本的可能性，盡管這些技術(shù)還不是目前使用的廣泛性氣體傳感器解決方案。此外，非氣體傳感器中的大多數MEMS平臺都集成了數字功能，這使其更容易被更大的傳感器網(wǎng)絡(luò )控制或集成，從而有可能為最終用戶(hù)降低這些傳感器的總擁有成本（TCO）。傳感器系統標定是 MEMS和任何其他傳感器系統成本的重要組成部分，業(yè)界已將其確定為降低成本的關(guān)鍵步驟。

氣體傳感器測試標準：大多數公司都認為氣體傳感器的測試標準很重要，也均支持標準的使用。半個(gè)多世紀以來(lái)，符合成熟性能標準的氣體傳感器已經(jīng)用于住宅和工業(yè)安全市場(chǎng)。氣體傳感器應用面對的是各種各樣的新興市場(chǎng)，標準化將幫助用戶(hù)更加有效地使用氣體傳感器。

SEMI MSIG 設備工作組最近發(fā)布了用于通用標準化的氣體傳感器參數摘要，以幫助氣體傳感器用戶(hù)與制造商更好的應用傳感器性能常用指標——《SEMI MS14，氣體傳感器關(guān)鍵參數指南》。

結語(yǔ)

市場(chǎng)現有的傳感器已經(jīng)能夠以低成本設計獲取高質(zhì)量的數據，氣體傳感器制造商可以從中汲取經(jīng)驗來(lái)開(kāi)發(fā)現代氣體傳感器。舉例來(lái)說(shuō)，早期的可穿戴生理傳感器精度很低，但最初卻由于人們只興奮于其潛在應用而被忽視。不過(guò)，業(yè)界很快意識到，要獲得廣泛的認可和可持續發(fā)展，可穿戴生理傳感器需要大幅提高精度?，F在，滿(mǎn)足醫療設備或醫院設備精度要求的可穿戴傳感器數量正在不斷增加，例如用于心電圖 (EKG) 或肌電圖 (EMG) 以及血糖監測的可穿戴傳感器。

再以物理傳感器為例，一旦麥克風(fēng)、加速度計、陀螺儀和指南針的精度達到了市場(chǎng)解決方案的精度，大眾市場(chǎng)就接納了這些設備?，F在每年大約有10 億臺移動(dòng)設備出貨，這些設備中采用的傳感器單價(jià)已被降至低于1美元。

與此同時(shí)，氣體傳感器的革命與騰飛也需要提升精度。當代跨學(xué)科的方法也在不斷促進(jìn)新氣體傳感器功能的發(fā)展與市場(chǎng)增長(cháng)。電子器件、氣體過(guò)濾器、封裝，以及板載數據分析上的進(jìn)步確實(shí)能夠提高傳感器的穩定性和精度。而應用人工智能技術(shù)和板載數據分析的預測模型和算法也更加強大，對提升傳感器性能意義重大。