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)和標準,，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)量的特定化學物及其來源,，如汽車、卡車和發(fā)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(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,。
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或認可。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(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。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100?W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。
標定：參與調(diào)查的公司都存儲了特定應(yīng)用的標定參數(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(fā)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(xiàn)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(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。
氣體傳感器測試標準：大多數(shù)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(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,，標準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)布了用于通用標準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——《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,、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(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,。當代跨學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。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<
