氣體傳感器的發(fā)展現(xiàn)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(duì)健康影響的新知識(shí)層出不窮，它們不斷向人們強(qiáng)調(diào)著對(duì)室內(nèi)外空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(duì)人體健康有害。越來(lái)越多的消費(fèi)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(duì)檢測(cè)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(yīng)機(jī)制降低或消除這種健康風(fēng)險(xiǎn)。

許多國(guó)家以及國(guó)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(cè)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(duì)其產(chǎn)品進(jìn)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(guó)環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 就利用尖端科學(xué)制定法規(guī)，以高性價(jià)比的方式減少并控制空氣污染。對(duì)于最常見(jiàn)的污染物，EPA 每五年整理一次數(shù)據(jù)，重新評(píng)估空氣法規(guī)的完善性。該機(jī)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(lái)源，如汽車(chē)、卡車(chē)和發(fā)電廠。EPA的主要目標(biāo)之一就是將污染物與帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)的主要來(lái)源關(guān)聯(lián)起來(lái)。

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(jìn)行監(jiān)測(cè)。再結(jié)合來(lái)自粒子探測(cè)器的數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果可進(jìn)一步用于計(jì)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(cè)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(cè)傳感器的類型

用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè) (AQM) 的氣體分析儀有兩大類。根據(jù)監(jiān)管部門(mén)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(jiàn) UV/VIS、激光和光聲系統(tǒng)。多年以來(lái)，這些現(xiàn)場(chǎng)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(guó)家及國(guó)際組織的批準(zhǔn)或認(rèn)可。但對(duì)用戶而言，傳統(tǒng)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(hù)。這限制了它們?cè)趶V泛性氣體監(jiān)測(cè)中的普遍采用。

排名第二的是基于不同設(shè)計(jì)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(duì)的氣體傳感器應(yīng)用繁多的現(xiàn)狀，如消費(fèi)者可用的室/內(nèi)外 AQM、醫(yī)療診斷和國(guó)土安全等不同領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對(duì)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(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(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(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(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

為了解不斷增長(zhǎng)的氣體傳感器市場(chǎng)趨勢(shì)，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(kāi)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(diǎn)，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(gè)人健康監(jiān)測(cè)到智慧城市的大范圍環(huán)境監(jiān)測(cè)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(méi)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(duì)不同污染物的檢測(cè)技術(shù)能力也各有所長(zhǎng)。

該次調(diào)查收集了傳感器的各項(xiàng)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(jià)格，以及每個(gè)參數(shù)對(duì)其應(yīng)用的影響。這些公司還提供了對(duì)裸傳感元件以及傳感器系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。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(méi)有混雜氣體的情況下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，大約一半的受訪公司對(duì)市場(chǎng)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(duì)目標(biāo)氣體的選擇能力，同時(shí)降低其他氣體的干擾。報(bào)告中對(duì)漂移和標(biāo)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(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(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(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(duì)較大。

數(shù)據(jù)速率：多數(shù)參與調(diào)查的公司并未報(bào)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(cè)氣體濃度變化的預(yù)期時(shí)間常數(shù)相當(dāng)。例如，智能辦公大樓可以根據(jù)被監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)公共汽車(chē)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(cè)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(jìn)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(jì)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(chǔ)了特定應(yīng)用的標(biāo)定參數(shù)，無(wú)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(jìn)行標(biāo)定，但同時(shí)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(jìn)行下線標(biāo)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(xiàn)這一目標(biāo)。

價(jià)格：對(duì)于氣體傳感器當(dāng)前的定價(jià)，各公司的滿意度則參差不齊，具體取決于他們購(gòu)買(mǎi)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(jià)格范圍從大批量消費(fèi)設(shè)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(shù)MEMS平臺(tái)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：大多數(shù)公司都認(rèn)為氣體傳感器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)很重要，也均支持標(biāo)準(zhǔn)的使用。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，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(chǎng)。氣體傳感器應(yīng)用面對(duì)的是各種各樣的新興市場(chǎng)，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(yǔ)

市場(chǎng)現(xiàn)有的傳感器已經(jīng)能夠以低成本設(shè)計(jì)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(yàn)來(lái)開(kāi)發(fā)現(xiàn)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(yīng)用而被忽視。不過(guò)，業(yè)界很快意識(shí)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(cè)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(jì)、陀螺儀和指南針的精度達(dá)到了市場(chǎng)解決方案的精度，大眾市場(chǎng)就接納了這些設(shè)備。現(xiàn)在每年大約有10 億臺(tái)移動(dòng)設(shè)備出貨，這些設(shè)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(dāng)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(zhǎng)。電子器件、氣體過(guò)濾器、封裝，以及板載數(shù)據(jù)分析上的進(jìn)步確實(shí)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(cè)模型和算法也更加強(qiáng)大，對(duì)提升傳感器性能意義重大。