氣體傳感器的發展現狀與未來展望

                  2022-08-30 11:06:52 來源:Radislav Potyrailo、Ryotaro Sakauchi、Sreeni Rao和Christian Meyer

                  關于氣態揮發染物健康影的新知識層出不窮,它們不斷向人們調著對外空氣質量進行監測的必要性。許多揮發物即使是于微量水平,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、乘用和工。人們檢測氣態污染物的關注度不斷上升,希望通過建立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、法準,以監測、醫療、外、室內辦公以及住宅境中的空氣質量。根據這些指南,制造商可以認證,也可以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 (EPA) 利用尖端科制定法,以高性價比的方式控制空氣污染。于最常染物,EPA 每五年整理一次據,重新估空的完善性。構還明確了可能影氣質量的特定化物及其源,如汽、卡發電廠。EPA主要目標之一就將污染物與帶來健康風險的主要關聯。

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                  主要的外空氣污染物O3、NO2、SO2CO,這些氣體均可使用 EPA 核準的監測。再自粒子探器的據,果可一步用于算空氣質量指 (AQI)。室中的揮發更加具體,取決于是住宅還是辦、人員數量、家具型、通等因素。主要揮發物包括CO2、甲。

                  監測氣污染物的重要性日俱增,但現有方案卻尚不能滿代用戶在量和成本效益方面的期望。  

                  氣體監測傳感器的類型

                  用于空氣質監測 (AQM) 體分析。根據管部門接受度,排名第一的仍是傳統分析器,例如相色 (GC)、質譜 (MS)、化學發 (CL)、紫外/ UV/VIS、激光和光。多年以,現場便攜、甚至可穿戴的傳統已經表現出卓越的性能,而且多數 EPA、世界組織 (WHO) 和其他家及國際組織的批準或可。但用戶而言,傳統分析儀也存在諸多缺陷,例如使用成本高、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感器,如基于和金屬氧化物 (MOx) 、Pellistor、非色散 (NDIR) 或其他。為了應對的氣感器應用繁多的現狀,如消者可用的室/ AQM、醫療診斷土安全等不同領域的應用,人們價格合理且高性能感器的需求凸顯。

                  近年,感器制造商已經采取了一些新的技和制造規范,包括學傳感器中的非水,以及MOx、Pellistor  NDIR 感器中采用的微加工MEMS。些技術的步推了功率、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小到一粒米的大小。 
                   

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                  氣體傳感器的市場發展趨勢

                  了解不氣體傳感器場趨勢,SEMI MEMS 感器產業聯盟 (MSIG) 聯絡了多家感器系統開發商,研究現有的傳感器模是否能夠滿足他的需求,明確感器制造商需要解的共同痛點,以便跟上要求苛刻的新用的腳步。

                  在參與調查的公司中,目標用范圍從個人健康監測到智慧城市的大范圍環監測不等。大多公司都指出,空氣質量是其注的主要參數。管用例不同,但多公司都希望他用能在室和室外境中以同樣高精度水平的工作。

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                  然而,調查結顯示,并沒有一適合所有用例的解方案。室和室外的染物不同,針對不同污染物的檢測技術能力也各有所長。

                  該次調查收集了感器的各項參數數,包括精度、尺寸、據速率、功耗、標定和價格,以及每個參數對用的影。些公司還提供了對感元件以及感器系評價。傳感器系統中包含了標定、傳輸感器邏輯件。

                  精度:在有混雜氣體的情,大一半的受公司場現有傳感器的精度感到滿意。感器制造商正在努力提高感器目標體的選擇能力,同時降低其他體的干。報告中對漂移和標定等其他問題也有提及。

                  近幾年來,感器在大多數關鍵性能參數方面都有了巨大的。MEMS等新技術也越多地綜合利用傳感器硬件、集成過濾器和件技術,以提高性能,達到可以與傳統分析器解方案相美的性能水平。
                   

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                  基于介的多感器GE Research 提供)

                   

                  尺寸:此次調查涉及的傳感器封裝尺寸3mm x 3mm10mm x 10mm不等。感器的尺寸取設備采用的技。金屬氧化物感器的尺寸可以很小,滿3mm x 3mm尺寸要求;而NDIR、Pellistor感器則相對較大。

                  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,提供信息的頻率每秒一次到每10鐘一次不等。通常,感器的據速率應與監測氣化的時間。例如,智能公大可以根據被監測的體和空速度,以每1-10鐘一次的據速率檢測碳濃度的化。相比之下,考慮到室外有模式的動態條件,在智慧城市的都市境中檢測公共汽站附近氣體的,其據速率應約為每秒一次。

                  功耗:各公司提交的數據顯示,功耗圍從100μW1W不等。們猜測如此寬因于設備池供電還路供。感器是系的一部分,通常需要直接在系功耗與其數據速率之間進行權衡,降低據速率有助于降低功耗。但感器系統設計具備數字接口和可程性,利用睡眠模式、斷電或其他似技術也可優化功耗。

                   

                  標定:參與調查的公司都存了特定用的標定參數,無論是采用感元件還是傳感器系。大多公司希望感器系在出廠之前行標定,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,些公司都表示愿意在發貨下線標定,盡管這通常增加成本。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。

                  價格:對于氣感器前的定價,各公司的滿意度則參差不,具體于他們購買的是裸感元件是包含標定、傳輸、感器邏輯或其他功能的感器系。期價格范圍從大批量消費設備的幾美元到工或汽用例的10美元不等。

                  最新的感技術進步使降低成本成可能。例如,通常采用體硅工 MEMS方案就有降低成本的可能性,些技術還不是前使用的廣泛性感器解方案。此外,非感器中的大多MEMS平臺都集成了字功能,使其更容易被更大的感器網絡控制或集成,而有可能降低感器的總擁有成本TCO。感器系標定是  MEMS和任何其他感器系成本的重要成部分,界已其確定降低成本的關鍵步驟。

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                  感器測試準:大多數公司都認為氣感器的測試準很重要,也均支持標準的使用。半多世,符合成熟性能準的感器已經用于住宅和工安全市。氣體傳感器應用面對的是各種各樣的,準化將幫助用戶更加有效地使用感器。

                  SEMI MSIG 設備工作最近布了用于通用準化的感器參數摘要,以感器用戶與制造商更好的應用傳感器性能常用指——SEMI MS14,感器關鍵參數指南。

                  結語

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                  市場現有的傳感器已經能夠以低成本設計獲取量的,氣體傳感器制造商可以從中汲取經驗來開發現感器。舉例來說,早期的可穿戴生理感器精度低,但最初卻由于人們只興奮于其潛在用而被忽。不過,界很快意到,要得廣泛的認可和可持續發展,可穿戴生理感器需要大幅提高精度。現在,滿足醫療設備設備精度要求的可穿戴感器量正在不斷增加,例如用于電圖 (EKG) 或肌電圖 (EMG) 以及血糖監測的可穿戴感器。

                  再以物理感器為例,一旦麥、加速度、陀螺和指南的精度到了市方案的精度,大就接納了設備。現在年大10  臺移動設備,這些設備中采用的傳感器單價已被降低于1美元。

                  與此同時,氣感器的革命與騰飛也需要提升精度。代跨科的方法也在不斷促感器功能的場增長。子器件、過濾器、封裝,以及板載數據分析上的步確實能夠提高感器的定性精度。而應用人工智能板載數據分析的預測模型和算法也更加強大,提升傳感器性能意義重大。


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