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

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关于气态或挥发性污染物对健康影响的新知识层出不穷，不断强调监测室内外空气质量的必要性。即使许多挥发物处于微量水平，短时间暴露后仍会对人体健康有害。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。人们越来越重视气体污染物的检测，希望通过建立有效的响应机制来降低或消除这种健康风险。

许多国家和国际组织一直致力于监测工业、医疗、户外、室内办公和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，也可以让用户了解气体污染物的气体污染物水平。例如，美国环境保护署 (EPA) 利用尖端科学制定法律法规，以高性价比减少和控制空气污染。对最常见的污染物，EPA 每五年整理一次数据，重新评估空气法规的完善性。该机构还明确了汽车、卡车和电厂等可能影响空气质量的特定化学品及其来源。EPA其主要目标之一是将污染物与健康风险的主要来源联系起来。

四种主要的室外空气污染物是O3、NO2、SO2和CO，所有这些气体都可以使用 EPA 监控批准的仪器。结合粒子探测器的数据，可进一步计算空气质量指数 (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CO甲醛和苯。

对空气污染物的监测越来越重要，但现有的技术解决方案并不能满足现代用户对数据质量和成本效益的期望。

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。根据监管部门的接受度，传统的分析仪器仍然排名第一，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。多年来，这些现场便携甚至可穿戴的传统技术表现出色，大部分都获得了 EPA、世界卫生组织 (WHO) 批准或批准其他国家和国际组织。但对于用户来说，传统的分析仪也有许多缺陷，如使用成本高、电力需求大、维护频繁等。这限制了它们在广泛气体监测中的广泛应用。

第二种是基于电化学和金属氧化物等不同设计原理的传统气体传感器 (MOx) 、Pellistor、非色散红外 (NDIR) 或其他。为了应对气体传感器的广泛应用，如消费者可用的室内外 AQM、在医疗诊断和土地安全等不同领域的应用中，人们对合理价格和高性能传感器的需求突出。

近年来，气体传感器制造商采用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和MOx、Pellistor 和 NDIR 传感器中使用的微加工MEMS技术。这些技术的进步促进了功率、成本和尺寸的优化。特别是尺寸的进步更加引人注目，一些现代传感器的尺寸甚至从樱桃的大小缩小到一粒米。

气体传感器的市场发展趋势

了解不断增长的气体传感器市场趋势，SEMI MEMS 与传感器产业联盟 (MSIG) 联系多家气体传感器系统开发商，研究现有传感器模块是否能满足其需求，明确传感器制造商需要解决的共同痛点，以跟上苛刻的新应用。

在参与调查的公司中，目标应用范围从个人健康监测到智能城市的大规模环境监测。大多数公司指出，空气质量是其关注的主要参数。尽管用例不同，但大多数公司希望他们的应用程序能够在室内外环境中以相同的高精度工作。

然而，调查结果显示，没有适合所有用例的解决方案。室内外污染物不同，不同污染物的检测技术能力也有自己的优势。

调查收集了传感器的参数数据，包括精度、尺寸、数据速率、功耗、校准和价格，以及每个参数对其应用的影响。这些公司还对裸体传感器元件和传感器系统进行了评估。传感器系统包括校准、数据传输和传感器逻辑。

精度：大约一半的受访者对市场上现有传感器的精度感到满意，而无需混合气体进行测量。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，并减少其他气体的干扰。报告还提到了漂移和校准等其他问题。

近年来，气体传感器在大多数关键性能参数方面都有了很大的改进。MEMS传感器硬件、集成气体过滤器和软件技术的综合利用越来越多，以提高性能，达到与传统分析仪器解决方案相当的性能水平。

多气体传感器的多气体传感器(由GE Research 提供）

尺寸：本调查涉及的传感器包装尺寸为3mm x 3mm到10mm x 10mm不同。气体传感器的尺寸取决于设备所采用的技术。金属氧化物传感器的尺寸可以很小，满足3mm x 3mm尺寸要求；和NDIR、电化学和Pellistor传感器相对较大。

数据速率：大多数参与调查的公司没有报告他们喜欢的数据速率，提供信息的频率从每秒到每10分钟不等。一般情况下，气体传感器的数据速率应等于所监测气体浓度变化的预期时间常数。例如，智能办公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，考虑到室外风模式的动态条件，在智能城市的城市环境中检测公交车站附近气体的突变，其数据速率应为每秒一次。

功耗:根据各公司提交的数据，功耗范围为100μW到1W不等。由于设备是电池供电还是线路供电，我们猜测这么宽的范围。气体传感器是系统的一部分，通常需要直接权衡系统功耗及其数据速率，降低数据速率将有助于降低功耗。然而，现代气体传感器系统设计具有数字接口和可编程性，可以通过睡眠模式、断电或其他类似技术优化功耗。

无论是裸传感元件还是传感器系统，参与调查的公司都存储了特定应用程序的标定参数。大多数公司希望气体传感器系统在出厂前进行校准，但也希望提供离线校准（End of Line Calibration）的选择。令人惊讶的是，尽管这些公司通常会增加成本，但他们都表示愿意在常会增加成本。这一意愿表明了高精度的重要性，公司愿意与传感器制造商合作实现这一目标。

价格：对于气体传感器目前的定价，公司的满意度参差不齐，这取决于他们是购买裸传感器元件还是包含校准、数据传输、传感器逻辑或其他功能的传感器系统。预期价格范围从几美元的大规模消费设备到10美元以上的工业或汽车用例。

最新的气体传感技术进步使降低成本成为可能。例如，通常使用体硅工艺 MEMS尽管这些技术不是目前广泛使用的气体传感器解决方案，但解决方案有可能降低成本。此外，大多数非气体传感器MEMS平台集成了数字功能，使其更容易被更大的传感器网络控制或集成，从而降低了这些传感器的总成本（TCO）。传感器系统的校准是 MEMS以及其他传感器系统成本的任何重要组成部分，该行业将其确定为降低成本的关键步骤。

气体传感器测试标准：大多数公司认为气体传感器测试标准非常重要，并支持标准的使用。半个多世纪以来，符合成熟性能标准的气体传感器一直用于住宅和工业安全市场。气体传感器应用程序面临着各种新兴市场，标准化将帮助用户更有效地使用气体传感器。

SEMI MSIG 设备工作组最近发布了一般标准化气体传感器参数摘要，以帮助气体传感器用户和制造商更好地应用传感器性能的共同指标——《SEMI MS气体传感器关键参数指南14.

结语

现有的市场传感器可以以低成本设计获得高质量的数据，气体传感器制造商可以从中学习开发现代气体传感器的经验。例如，早期可穿戴生理传感器的精度很低，但最初却因为人们对其潜在应用感到兴奋而被忽视。然而，该行业很快意识到，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大提高精度。目前，符合医疗设备或医院设备精度要求的可穿戴传感器数量正在增加，如心电图 (EKG) 或肌电图 (EMG) 可穿戴的血糖监测传感器。

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市场解决方案的精度，大众市场就会接受这些设备。现在每年大约有10个 1亿台移动设备出货传感器单价已降至1美元以下。

同时，气体传感器的革命和腾飞也需要提高精度。当代跨学科方法也在不断促进新气体传感器功能的发展和市场增长。电子设备、气体过滤器、包装和板载数据分析的进展确实可以提高传感器的稳定性和精度。预测模型和算法的应用人工智能技术和板载数据分析也更强大，这对提高传感器的性能具有重要意义。

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