氣體傳感器的發展現狀與未來展望
2022-08-30 11:06:52 Radislav Potyrailo、Ryotaro Sakauchi、Sreeni Rao和Christian Meyer關于氣態或揮發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對室內外空氣質量進行監測的必要性。許多揮發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產品都可能排放已知有害的揮發物，包括家具、乘用車和工業卡車。人們對檢測氣態污染物的關注度不斷上升，希望通過建立相關有效的響應機制降低或消除這種健康風險。
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、醫療、戶外、室內辦公以及住宅環境中的空氣質量。根據這些指南，制造商可以對其產品進行認證，也可以讓用戶了解可最低限度接受的氣態污染物水平。例如，美國環境保護署 (EPA) 就利用尖端科學制定法規，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量的特定化學物及其來源，如汽車、卡車和發電廠。EPA的主要目標之一就是將污染物與帶來健康風險的主要來源關聯起來。
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 核準的儀器進行監測。再結合來自粒子探測器的數據，測量結果可進一步用于計算空氣質量指數 (AQI)。室內空氣中的揮發物則更加具體，它取決于是住宅還是辦公樓、人員數量、家具類型、通風系統等因素。主要揮發物包括CO2、甲醛和苯。
監測空氣污染物的重要性與日俱增，但現有技術解決方案卻尚不能滿足現代用戶在數據質量和成本效益方面的期望。
氣體監測傳感器的類型
用于空氣質量監測 (AQM) 的氣體分析儀有兩大類。根據監管部門接受度，排名第一的仍是傳統分析儀器，例如氣相色譜 (GC)、質譜 (MS)、化學發光 (CL)、紫外/可見 UV/VIS、激光和光聲系統。多年以來，這些現場便攜、甚至可穿戴的傳統技術已經表現出卓越的性能，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。但對用戶而言，傳統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域的應用，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采取了一些新的技術和制造規范，包括電化學傳感器中的非水電解質，以及MOx、Pellistor 和 NDIR 傳感器中采用的微加工MEMS技術。這些技術的進步推動了功率、成本以及尺寸方面的優化。尤其是尺寸方面的進步更加醒目，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。
氣體傳感器的市場發展趨勢
為了解不斷增長的氣體傳感器市場趨勢，SEMI MEMS 和傳感器產業聯盟 (MSIG) 聯絡了多家氣體傳感器系統開發商，研究現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用的腳步。
在參與調查的公司中，目標應用范圍從個人健康監測到智慧城市的大范圍環境監測不等。大多數公司都指出，空氣質量是其關注的主要參數。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境中以同樣高精度水平的工作。
然而，調查結果顯示，并沒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能力也各有所長。
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、標定和價格，以及每個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。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。報告中對漂移和標定等其他問題也有提及。
近幾年來，氣體傳感器在大多數關鍵性能參數方面都有了巨大的改善。MEMS等新技術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，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。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，考慮到室外有風模式的動態條件，在智慧城市的都市環境中檢測公共汽車站附近氣體的突變，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、斷電或其他類似技術也可優化功耗。
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之前進行標定，但同時也希望提供下線標定（End of Line Calibration）的選擇。令人意外的是，這些公司都表示愿意在發貨前進行下線標定，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，實現這一目標。
價格：對于氣體傳感器當前的定價，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定、數據傳輸、傳感器邏輯或其他功能的傳感器系統。預期價格范圍從大批量消費設備的幾美元到工業或汽車用例的10多美元不等。
最新的氣體傳感技術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絡控制或集成，從而有可能為最終用戶降低這些傳感器的總擁有成本（TCO）。傳感器系統標定是 MEMS和任何其他傳感器系統成本的重要組成部分，業界已將其確定為降低成本的關鍵步驟。
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。半個多世紀以來，符合成熟性能標準的氣體傳感器已經用于住宅和工業安全市場。氣體傳感器應用面對的是各種各樣的新興市場，標準化將幫助用戶更加有效地使用氣體傳感器。
SEMI MSIG 設備工作組最近發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，氣體傳感器關鍵參數指南》。
結語
市場現有的傳感器已經能夠以低成本設計獲取高質量的數據，氣體傳感器制造商可以從中汲取經驗來開發現代氣體傳感器。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用而被忽視。不過，業界很快意識到，要獲得廣泛的認可和可持續發展，可穿戴生理傳感器需要大幅提高精度。現在，滿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、加速度計、陀螺儀和指南針的精度達到了市場解決方案的精度，大眾市場就接納了這些設備。現在每年大約有10 億臺移動設備出貨，這些設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。當代跨學科的方法也在不斷促進新氣體傳感器功能的發展與市場增長。電子器件、氣體過濾器、封裝，以及板載數據分析上的進步確實能夠提高傳感器的穩定性和精度。而應用人工智能技術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。
