气体传感器的发展现状与未来展望

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

 
关于气态或挥发性污染物对健康影响的新知识层出不穷，它们不断向人们强调着对室内外空气质量进行监测的必要性。许多挥发物即使是处于微量水平，在短时间暴露后，仍然会对人体健康有害。越来越多的消费品和工业产品都可能排放已知有害的挥发物，包括家具、乘用车和工业卡车。人们对检测气态污染物的关注度不断上升，希望通过建立相关有效的响应机制降低或消除这种健康风险。
许多国家以及国际组织一直在致力于制定各种指南、法规和标准，以监测工业、医疗、户外、室内办公以及住宅环境中的空气质量。根据这些指南，制造商可以对其产品进行认证，也可以让用户了解可最低限度接受的气态污染物水平。例如，美国环境保护署 (EPA) 就利用尖端科学制定法规，以高性价比的方式减少并控制空气污染。对于最常见的污染物，EPA 每五年整理一次数据，重新评估空气法规的完善性。该机构还明确了可能影响空气质量的特定化学物及其来源，如汽车、卡车和发电厂。EPA的主要目标之一就是将污染物与带来健康风险的主要来源关联起来。



四种主要的户外空气污染物为O₃、NO₂、SO₂和CO，这些气体均可使用 EPA 核准的仪器进行监测。再结合来自粒子探测器的数据，测量结果可进一步用于计算空气质量指数 (AQI)。室内空气中的挥发物则更加具体，它取决于是住宅还是办公楼、人员数量、家具类型、通风系统等因素。主要挥发物包括CO₂、甲醛和苯。
监测空气污染物的重要性与日俱增，但现有技术解决方案却尚不能满足现代用户在数据质量和成本效益方面的期望。  
气体监测传感器的类型
用于空气质量监测 (AQM) 的气体分析仪有两大类。根据监管部门接受度，排名第一的仍是传统分析仪器，例如气相色谱 (GC)、质谱 (MS)、化学发光 (CL)、紫外/可见 UV/VIS、激光和光声系统。多年以来，这些现场便携、甚至可穿戴的传统技术已经表现出卓越的性能，而且多数已获得 EPA、世界卫生组织 (WHO) 和其他国家及国际组织的批准或认可。但对用户而言，传统分析仪也存在诸多缺陷，例如使用成本过高、电力需求大，并且通常需要频繁的维护。这限制了它们在广泛性气体监测中的普遍采用。
排名第二的是基于不同设计原理的传统气体传感器，如基于电化学和金属氧化物 (MOx) 、Pellistor、非色散红外 (NDIR) 或其他。为了应对的气体传感器应用繁多的现状，如消费者可用的室/内外 AQM、医疗诊断和国土安全等不同领域的应用，人们对价格合理且高性能传感器的需求凸显。
近年来，气体传感器制造商已经采取了一些新的技术和制造规范，包括电化学传感器中的非水电解质，以及MOx、Pellistor 和 NDIR 传感器中采用的微加工MEMS技术。这些技术的进步推动了功率、成本以及尺寸方面的优化。尤其是尺寸方面的进步更加醒目，部分现代传感器的尺寸甚至从一颗樱桃的大小缩小到一粒米的大小。 
 

 
气体传感器的市场发展趋势
为了解不断增长的气体传感器市场趋势，SEMI MEMS 和传感器产业联盟 (MSIG) 联络了多家气体传感器系统开发商，研究现有的传感器模块是否能够满足他们的需求，明确传感器制造商们需要解决的共同痛点，以便跟上要求苛刻的新应用的脚步。
在参与调查的公司中，目标应用范围从个人健康监测到智慧城市的大范围环境监测不等。大多数公司都指出，空气质量是其关注的主要参数。尽管用例不同，但多数公司都希望他们的应用能够在室内和室外环境中以同样高精度水平的工作。



然而，调查结果显示，并没有一款适合所有用例的解决方案。室内和室外的污染物不同，针对不同污染物的检测技术能力也各有所长。
该次调查收集了传感器的各项参数数据，包括精度、尺寸、数据速率、功耗、标定和价格，以及每个参数对其应用的影响。这些公司还提供了对裸传感元件以及传感器系统的评价。传感器系统中包含了标定、数据传输和传感器逻辑等辅助组件。
精度：在没有混杂气体的情况下进行测量时，大约一半的受访公司对市场现有传感器的精度感到满意。气体传感器制造商正在努力提高传感器对目标气体的选择能力，同时降低其他气体的干扰。报告中对漂移和标定等其他问题也有提及。
近几年来，气体传感器在大多数关键性能参数方面都有了巨大的改善。MEMS等新技术也越来越多地综合利用传感器硬件、集成气体过滤器和软件技术，以提高性能，并达到可以与传统分析仪器解决方案相媲美的性能水平。
 

基于介电激发的多气体传感器（由GE Research 提供）
 
尺寸：此次调查涉及的传感器封装尺寸从3mm x 3mm到10mm x 10mm不等。气体传感器的尺寸取决于设备采用的技术。金属氧化物传感器的尺寸可以很小，满足3mm x 3mm的尺寸要求；而NDIR、电化学和Pellistor传感器则相对较大。
数据速率：多数参与调查的公司并未报告他们偏好的数据速率，提供信息的频率从每秒一次到每10分钟一次不等。通常，气体传感器的数据速率应与所监测气体浓度变化的预期时间常数相当。例如，智能办公大楼可以根据被监测房间的体积和空气交换速度，以每1-10分钟一次的数据速率检测二氧化碳浓度的变化。相比之下，考虑到室外有风模式的动态条件，在智慧城市的都市环境中检测公共汽车站附近气体的突变，其数据速率应约为每秒一次。
功耗：各公司提交的数据显示，功耗范围从100µW到1W不等。我们猜测如此宽范围可归因于设备是电池供电还是线路供电。气体传感器是系统的一部分，通常需要直接在系统功耗与其数据速率之间进行权衡，降低数据速率将有助于降低功耗。但现代气体传感器系统设计具备数字接口和可编程性，利用睡眠模式、断电或其他类似技术也可优化功耗。
 
标定：参与调查的公司都存储了特定应用的标定参数，无论是采用裸传感元件还是传感器系统。大多数公司都希望气体传感器系统在出厂之前进行标定，但同时也希望提供下线标定（End of Line Calibration）的选择。令人意外的是，这些公司都表示愿意在发货前进行下线标定，尽管这通常会增加成本。这种意愿表明了高精度的重要性，而且各公司都愿与传感器制造商共同努力，实现这一目标。
价格：对于气体传感器当前的定价，各公司的满意度则参差不齐，具体取决于他们购买的是裸传感元件还是包含标定、数据传输、传感器逻辑或其他功能的传感器系统。预期价格范围从大批量消费设备的几美元到工业或汽车用例的10多美元不等。
最新的气体传感技术进步使降低成本成为可能。例如，通常采用体硅工艺的 MEMS解决方案就有降低成本的可能性，尽管这些技术还不是目前使用的广泛性气体传感器解决方案。此外，非气体传感器中的大多数MEMS平台都集成了数字功能，这使其更容易被更大的传感器网络控制或集成，从而有可能为最终用户降低这些传感器的总拥有成本（TCO）。传感器系统标定是  MEMS和任何其他传感器系统成本的重要组成部分，业界已将其确定为降低成本的关键步骤。



气体传感器测试标准：大多数公司都认为气体传感器的测试标准很重要，也均支持标准的使用。半个多世纪以来，符合成熟性能标准的气体传感器已经用于住宅和工业安全市场。气体传感器应用面对的是各种各样的新兴市场，标准化将帮助用户更加有效地使用气体传感器。
SEMI MSIG 设备工作组最近发布了用于通用标准化的气体传感器参数摘要，以帮助气体传感器用户与制造商更好的应用传感器性能常用指标——《SEMI MS14，气体传感器关键参数指南》。



结语

市场现有的传感器已经能够以低成本设计获取高质量的数据，气体传感器制造商可以从中汲取经验来开发现代气体传感器。举例来说，早期的可穿戴生理传感器精度很低，但最初却由于人们只兴奋于其潜在应用而被忽视。不过，业界很快意识到，要获得广泛的认可和可持续发展，可穿戴生理传感器需要大幅提高精度。现在，满足医疗设备或医院设备精度要求的可穿戴传感器数量正在不断增加，例如用于心电图 (EKG) 或肌电图 (EMG) 以及血糖监测的可穿戴传感器。
再以物理传感器为例，一旦麦克风、加速度计、陀螺仪和指南针的精度达到了市场解决方案的精度，大众市场就接纳了这些设备。现在每年大约有10  亿台移动设备出货，这些设备中采用的传感器单价已被降至低于1美元。
与此同时，气体传感器的革命与腾飞也需要提升精度。当代跨学科的方法也在不断促进新气体传感器功能的发展与市场增长。电子器件、气体过滤器、封装，以及板载数据分析上的进步确实能够提高传感器的稳定性和精度。而应用人工智能技术和板载数据分析的预测模型和算法也更加强大，对提升传感器性能意义重大。