气体传感器的发展现状与未来展望_技术

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。