气体传感器的发展方向与建议

（一）发展方向

未来十到十五年之前，随着物联网技术、人工智能技术的进一步发展，气体传感器在移动终端与可穿戴设备、微型环境监测站、微型机器人、智慧医疗的领域中有着巨大的需求。

移动终端与可穿戴设备

在目前的移动终端（例如手机）中，已经集成了视觉、听觉、触觉等感知器件，若进一步在移动终端中集成气体 / 嗅觉感知器件，可以使得移动终端器件具备环境气氛感知的功能，可以用于室内外污染气体的监测、香水香味检测、食物变质与假冒伪劣检测、口气检测等。

微型环境监测站

基于微型气体传感阵列构建微型环境监测站，缩小体积、降低成本，并与路灯、移动网络基站集成，使之能应用于社区网格化监测，采用大数据挖掘获得区域内污染物扩散方式，追踪污染物种类、浓度的变化趋势，为污染源头溯源、污染物治理提供决策依据。

微型机器人

在微型机器人或无人机上集成气体 / 嗅觉感知器件，可以用于化工区危险物质泄漏溯源，工业园区污染排放监控与定位，也可用于天然气等化工物质运输管道巡检，定位泄漏源。

智慧医疗

目前，在医学中已经有数据证明人体呼出气与自身疾病之间有一定关联性，例如糖尿病患者的呼出气中丙酮含量较高，采用嗅觉感知器件可以更精确地识别目标气体，提供可靠的医学判据。一方面可以作为居家检测方式，进行长期健康状况的监测，一方面也可以作为医院中一些疾病的无创初筛检测。

（二）发展动态

目前，根据 Yole Development 的分析报告，到2023年，全球气体传感器市场将达到10亿美元。而我国一直是气体传感器应用大国，相应的，国内气体传感器的市场将达到 1 亿美元。在我国高校与中科院系统中，有较多的单位与学者参与气体传感器研究。其中吉林大学是从事气敏研究最早也是实力最雄厚的，被誉为北气敏，研究包括半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧型传感器等多种气体传感器。华中科技大学、电子科技大学等院校在不同类型的传感器及气敏材料研究上具备较强的实力。中科院下辖的半导体所、微系统所、电子学所、微电子所等在传感器与集成系统上有着深厚的研究基础。

目前气体传感器高端市场基本被国际知名传感器厂商占据。如美国霍尼韦尔、日本费加罗、德国博世、瑞士 Sensirion、英国 GSS 等。国内目前有河南汉威集团在电化学、催化燃烧、半导体、红外 NDIR 四种气体传感器上具备完整的生产能力，苏州慧闻纳米科技有限公司在微纳半导体型气体传感器上具备生产能力，但性能相较于国外厂商还存在一定的差距。随着气体传感器往嗅觉感知器件上的发展，国际上，德国博世、日本费加罗、美国霍尼韦尔、瑞士 Sensirion 几大传感器厂商已经在嗅觉感知器件上进行相关研发，其中德国博世、瑞士 Sensirion 已经开发出了阵列传感器与处理电路集成的初级嗅觉感知芯片，同时正在开发集成度更高、集成人工智能识别算法的嗅觉感知器件。而目前国内传感器企业中仍处在生产气体传感器层面，并无商品化初级嗅觉感知器件问世。

相比而言，德国与日本的研究机构与产业界有较深度的融合，科研机构往往直接对接产业界，例如德国图宾根大学与德国博世公司有深度的合作，日本九州大学直接孕育了费加罗公司。而目前我国科研界与产业界之间仍存在较大的断层，例如，科研界发明的新材料、新器件等无法用于产业界，而产业界所提出的稳定性、选择性等问题科研界也无法解决。因此亟需解决科研界与产业界的沟通渠道。重点打通敏感材料合成、阵列化器件制备、芯片化封装测试、嗅觉识别算法等关键问题，开发适用于新兴应用的智能嗅觉感知器件，占领未来智能嗅觉应用的市场。

（三）发展建议

我国气体传感器发展亟需在以下几个方面进行突破：

气体传感器协同设计与集成制造

采用 MEMS 与 CMOS 技术进一步缩小传感器尺寸，实现传感器晶圆级制造，将多个传感器集成在一起形成传感器阵列，并融合数据处理等模块，实现芯片级封装制造。目前，德国博世与瑞士 Sensirion 公司已经完成四种金属氧化物半导体传感器的集成，同时还集成了温湿度传感器。另一方面，红外 NDIR 传感器也借助微纳加工技术实现了小型化制备，将整体尺寸缩小到毫米级别。为了真正实现人工嗅觉，需要借助微纳加工方法将不同种类的气体传感器尽量多的集成在一起形成大型气体传感器阵列，就如视觉感知器件所需的像元阵列一样。

结合深度学习的智能气体传感

真实环境中的气氛非常复杂，同时发展基于嗅觉识别的深度学习技术，并融合至 AI 芯片中，形成智能嗅觉感知系统时环境温湿度也一直在变化，为了精确识别气体的种类与浓度需要更加智能的嗅觉感知系统。基于深度学习的模式识别技术已经在其他领域中得到广泛应用并展现了强大的识别能力，但针对于嗅觉的深度学习技术还处于初级阶段。要配合传感器阵列，实现复杂环境中的气体精确识别。

气体敏感机理模型化

气体感知过程本质上是化学反应，与视觉、听觉、触觉是物理反应不同，其本身的反应较为复杂，对于气敏材料的响应机理目前仍处于宏观上的认识，其中具体的反应过程、制约反应的根本因素等还未解释得非常清晰，包括对于人类嗅觉的感知过程也暂未理清。深入研究气敏反应包括人类嗅觉感知过程可以进一步指导对气敏材料的开发，有助于提高传感器性能，解决传感器选择性、稳定性等问题。

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