氣體傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望

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(diào)著對室內(nèi)外空氣質(zhì)量進行監(jiān)測的必要性。許多揮發(fā)物即使是處于微量水平，在短時間暴露后，仍然會對人體健康有害。越來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、乘用車和工業(yè)卡車。人們對檢測氣態(tài)污染物的關(guān)注度不斷上升，希望通過建立相關(guān)有效的響應(yīng)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(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以監(jiān)測工業(yè)、醫(yī)療、戶外、室內(nèi)辦公以及住宅環(huán)境中的空氣質(zhì)量。根據(jù)這些指南，制造商可以對其產(chǎn)品進行認(rèn)證，也可以讓用戶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(guī)，以高性價比的方式減少并控制空氣污染。對于最常見的污染物，EPA 每五年整理一次數(shù)據(jù)，重新評估空氣法規(guī)的完善性。該機構(gòu)還明確了可能影響空氣質(zhì)量的特定化學(xué)物及其來源，如汽車、卡車和發(fā)電廠。EPA的主要目標(biāo)之一就是將污染物與帶來健康風(fēng)險的主要來源關(guān)聯(lián)起來。

四種主要的戶外空氣污染物為O3、NO2、SO2和CO，這些氣體均可使用 EPA 核準(zhǔn)的儀器進行監(jiān)測。再結(jié)合來自粒子探測器的數(shù)據(jù)，測量結(jié)果可進一步用于計算空氣質(zhì)量指數(shù) (AQI)。室內(nèi)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(shù)量、家具類型、通風(fēng)系統(tǒng)等因素。主要揮發(fā)物包括CO2、甲醛和苯。

監(jiān)測空氣污染物的重要性與日俱增，但現(xiàn)有技術(shù)解決方案卻尚不能滿足現(xiàn)代用戶在數(shù)據(jù)質(zhì)量和成本效益方面的期望。

氣體監(jiān)測傳感器的類型

用于空氣質(zhì)量監(jiān)測 (AQM) 的氣體分析儀有兩大類。根據(jù)監(jiān)管部門接受度，排名第一的仍是傳統(tǒng)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 UV/VIS、激光和光聲系統(tǒng)。多年以來，這些現(xiàn)場便攜、甚至可穿戴的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出卓越的性能，而且多數(shù)已獲得 EPA、世界衛(wèi)生組織 (WHO) 和其他國家及國際組織的批準(zhǔn)或認(rèn)可。但對用戶而言，傳統(tǒng)分析儀也存在諸多缺陷，例如使用成本過高、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(jiān)測中的普遍采用。

排名第二的是基于不同設(shè)計原理的傳統(tǒng)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(yīng)對的氣體傳感器應(yīng)用繁多的現(xiàn)狀，如消費者可用的室/內(nèi)外 AQM、醫(yī)療診斷和國土安全等不同領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對價格合理且高性能傳感器的需求凸顯。

近年來，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(guī)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)的進步推動了功率、成本以及尺寸方面的優(yōu)化。尤其是尺寸方面的進步更加醒目，部分現(xiàn)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。

氣體傳感器的市場發(fā)展趨勢

為了解不斷增長的氣體傳感器市場趨勢，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(tǒng)開發(fā)商，研究現(xiàn)有的傳感器模塊是否能夠滿足他們的需求，明確傳感器制造商們需要解決的共同痛點，以便跟上要求苛刻的新應(yīng)用的腳步。

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

然而，調(diào)查結(jié)果顯示，并沒有一款適合所有用例的解決方案。室內(nèi)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。

該次調(diào)查收集了傳感器的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，包括精度、尺寸、數(shù)據(jù)速率、功耗、標(biāo)定和價格，以及每個參數(shù)對其應(yīng)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(tǒng)的評價。傳感器系統(tǒng)中包含了標(biāo)定、數(shù)據(jù)傳輸和傳感器邏輯等輔助組件。

精度：在沒有混雜氣體的情況下進行測量時，大約一半的受訪公司對市場現(xiàn)有傳感器的精度感到滿意。氣體傳感器制造商正在努力提高傳感器對目標(biāo)氣體的選擇能力，同時降低其他氣體的干擾。報告中對漂移和標(biāo)定等其他問題也有提及。

近幾年來，氣體傳感器在大多數(shù)關(guān)鍵性能參數(shù)方面都有了巨大的改善。MEMS等新技術(shù)也越來越多地綜合利用傳感器硬件、集成氣體過濾器和軟件技術(shù)，以提高性能，并達(dá)到可以與傳統(tǒng)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(diào)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(shè)備采用的技術(shù)。金屬氧化物傳感器的尺寸可以很小，滿足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(shù)據(jù)速率：多數(shù)參與調(diào)查的公司并未報告他們偏好的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率應(yīng)與所監(jiān)測氣體濃度變化的預(yù)期時間常數(shù)相當(dāng)。例如，智能辦公大樓可以根據(jù)被監(jiān)測房間的體積和空氣交換速度，以每1-10分鐘一次的數(shù)據(jù)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)模式的動態(tài)條件，在智慧城市的都市環(huán)境中檢測公共汽車站附近氣體的突變，其數(shù)據(jù)速率應(yīng)約為每秒一次。

功耗：各公司提交的數(shù)據(jù)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(shè)備是電池供電還是線路供電。氣體傳感器是系統(tǒng)的一部分，通常需要直接在系統(tǒng)功耗與其數(shù)據(jù)速率之間進行權(quán)衡，降低數(shù)據(jù)速率將有助于降低功耗。但現(xiàn)代氣體傳感器系統(tǒng)設(shè)計具備數(shù)字接口和可編程性，利用睡眠模式、斷電或其他類似技術(shù)也可優(yōu)化功耗。

標(biāo)定：參與調(diào)查的公司都存儲了特定應(yīng)用的標(biāo)定參數(shù)，無論是采用裸傳感元件還是傳感器系統(tǒng)。大多數(shù)公司都希望氣體傳感器系統(tǒng)在出廠之前進行標(biāo)定，但同時也希望提供下線標(biāo)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)貨前進行下線標(biāo)定，盡管這通常會增加成本。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，實現(xiàn)這一目標(biāo)。

價格：對于氣體傳感器當(dāng)前的定價，各公司的滿意度則參差不齊，具體取決于他們購買的是裸傳感元件還是包含標(biāo)定、數(shù)據(jù)傳輸、傳感器邏輯或其他功能的傳感器系統(tǒng)。預(yù)期價格范圍從大批量消費設(shè)備的幾美元到工業(yè)或汽車用例的10多美元不等。

最新的氣體傳感技術(shù)進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(shù)MEMS平臺都集成了數(shù)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降低這些傳感器的總擁有成本(TCO)。傳感器系統(tǒng)標(biāo)定是 MEMS和任何其他傳感器系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)：大多數(shù)公司都認(rèn)為氣體傳感器的測試標(biāo)準(zhǔn)很重要，也均支持標(biāo)準(zhǔn)的使用。半個多世紀(jì)以來，符合成熟性能標(biāo)準(zhǔn)的氣體傳感器已經(jīng)用于住宅和工業(yè)安全市場。氣體傳感器應(yīng)用面對的是各種各樣的新興市場，標(biāo)準(zhǔn)化將幫助用戶更加有效地使用氣體傳感器。

SEMI MSIG 設(shè)備工作組最近發(fā)布了用于通用標(biāo)準(zhǔn)化的氣體傳感器參數(shù)摘要，以幫助氣體傳感器用戶與制造商更好的應(yīng)用傳感器性能常用指標(biāo)——《SEMI MS14，氣體傳感器關(guān)鍵參數(shù)指南》。

結(jié)語

市場現(xiàn)有的傳感器已經(jīng)能夠以低成本設(shè)計獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，氣體傳感器制造商可以從中汲取經(jīng)驗來開發(fā)現(xiàn)代氣體傳感器。舉例來說，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(yīng)用而被忽視。不過，業(yè)界很快意識到，要獲得廣泛的認(rèn)可和可持續(xù)發(fā)展，可穿戴生理傳感器需要大幅提高精度?，F(xiàn)在，滿足醫(yī)療設(shè)備或醫(yī)院設(shè)備精度要求的可穿戴傳感器數(shù)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(jiān)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(dá)到了市場解決方案的精度，大眾市場就接納了這些設(shè)備?，F(xiàn)在每年大約有10 億臺移動設(shè)備出貨，這些設(shè)備中采用的傳感器單價已被降至低于1美元。

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