【導(dǎo)讀】氣體傳感器作為傳感器中的重要分支之一，適用面廣，簡單易用，在家用燃?xì)鈾z測、禮品、智能家電等領(lǐng)域大量應(yīng)用，也是目前氣體傳感器中應(yīng)用最為廣泛的品種。那么，它在智慧家庭、智能穿戴等領(lǐng)域有哪些表現(xiàn)呢？
“臺灣高雄的煤氣爆炸事件造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失”、“新房裝修有害氣體導(dǎo)致孕婦腹中胎兒死亡”、“家中熱水器洗澡導(dǎo)致一氧化碳中毒死亡”等事件已經(jīng)頻頻發(fā)生，在現(xiàn)代技術(shù)給大家?guī)肀憷耐瑫r(shí)如何確保使用的安全呢？這些情況下，氣體傳感器的合理應(yīng)用能有效的避免悲劇的發(fā)生，它不僅能夠檢測出環(huán)境中的可燃?xì)怏w，如氫氣、甲烷等，還能檢測有毒氣體，如一氧化碳、氨氣、硫化氫、二氧化硫、甲醛、苯、甲苯、二甲苯等，也能夠檢測二氧化碳、氧氣等與人體舒適有關(guān)的無毒害氣體，而酒精檢測作為一個(gè)特殊的應(yīng)用，在酒駕檢測、特殊作業(yè)（高空作業(yè)、機(jī)車駕駛、醫(yī)療等）監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
另外，氣體傳感器還廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，如石油、化工、鋼鐵、冶金、礦山、環(huán)保、市政、醫(yī)療、食品等諸多領(lǐng)域。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，氣體傳感器在新興的智能家居、可穿戴設(shè)備、智能移動終端等領(lǐng)域的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，大幅擴(kuò)展了應(yīng)用空間，需求量也發(fā)生數(shù)量級的改變。展望氣體傳感器發(fā)展前景，日益多元的應(yīng)用將創(chuàng)造更加龐大的市場規(guī)模。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球氣體傳感器出貨量在2007年大概在2500萬只，到2011年增長到3750萬只左右，2014年出貨量達(dá)到4400萬只，每年增長趨勢平穩(wěn)。其中，在2014年的總銷量中39%來自于日本和韓國，33%和11%分別來自于歐洲和美洲，而中國只占17%的市場份額，同時(shí)半導(dǎo)體傳感器占據(jù)總銷量的57%，電化學(xué)傳感器占34%，而紅外和催化只占9%左右。另外，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，氣體傳感器也在向微型化、集成化、智能化的方向發(fā)展轉(zhuǎn)化，伴隨智慧家庭和智能穿戴等潛力市場的成長，必然會給氣體傳感器帶來新興市場和爆發(fā)點(diǎn)。針對目前國內(nèi)市場情況，擁有多年傳感器工作經(jīng)驗(yàn)的蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司副總經(jīng)理祁明鋒和項(xiàng)目經(jīng)理岳浩一起做客《智慧產(chǎn)品圈》，分享氣體傳感器在IOT時(shí)代的發(fā)展和應(yīng)用。
氣體傳感器應(yīng)用
目前應(yīng)用的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體、電化學(xué)、催化燃燒、紅外四大門類為主，其工作原理各異，功能特性各有優(yōu)勢，各種氣體傳感器既有其主導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域，彼此又有交叉互容，相生相輔。半導(dǎo)體氣體傳感器適用面廣，簡單易用，在家用燃?xì)鈾z測、禮品、智能家電等領(lǐng)域大量應(yīng)用，是目前氣體傳感器中應(yīng)用最為廣泛的品種。電化學(xué)氣體傳感器非常適合低濃度毒性氣體檢測，以及氧氣和酒精等無毒氣體的檢測，目前主要應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域以及道路交通安全檢測領(lǐng)域。催化燃燒式氣體傳感器適用于可燃?xì)怏w檢測，主要在煤礦領(lǐng)域檢測瓦斯使用。紅外氣體傳感器適用于檢測甲烷、二氧化碳等氣體，在目前的實(shí)際應(yīng)用中以二氧化碳產(chǎn)品應(yīng)用居多、范圍更廣，主要應(yīng)用在暖通空調(diào)與室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控、工業(yè)過程及安全防護(hù)監(jiān)控、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。另外，細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用，祁總通過幾個(gè)案例做了詳細(xì)說明。
針對新房裝修的有害氣體檢測
新裝修居室90%以上的有害氣體都嚴(yán)重超標(biāo)，以甲醛為例，新居初裝完成時(shí)含量都在2.5ppm以上，有的高達(dá)十幾甚至幾十ppm（GBT18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定甲醛含量最高不超過0.1mk/m3，即0.074ppm）。中國每年有11萬人死于室內(nèi)空氣污染，平均每天死亡304人。美國專家對室內(nèi)空氣污染造成哮喘病的調(diào)查顯示，由于室內(nèi)裝修導(dǎo)致65%的兒童患有不同程的哮喘病。裝修材料是有害氣體的主要來源，諸如人造板材、夾心板、膠、漆、涂料、粘合劑、花崗巖、瓷磚及石膏等，這些材料均含有不同程度的甲醛、苯、氨、氡等污染物，零污染的裝修材料是不存在的。所謂的國家環(huán)保材料，只是上述污染物在國家規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。然而裝修市場材料魚目混珠，所有的銷售商均稱自己的材料達(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，而消費(fèi)者難辨真?zhèn)巍?/div>
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室內(nèi)污染最大的受害者是兒童、孕婦、老人和慢性病人，特別是兒童更容易受到室內(nèi)污染的危害。一方面，兒童的身體正在成長中，呼吸量按體重比比成人高50%；另一方面，兒童有80%以上的時(shí)間是生活在室內(nèi)，受到污染傷害也不易發(fā)覺。如大家熟知的甲醛，主要來源于膠合板、粘合劑、油漆和涂料等裝飾材料，長期接觸會導(dǎo)致呼吸道疾病、新生嬰兒染色體異常、白血病等，而苯主要由防水材料、油漆等材料散發(fā)出來，長時(shí)間接觸會導(dǎo)致頭痛、失眠、惡心，嚴(yán)重者甚至昏迷以致呼吸、循環(huán)衰竭而死亡。傳統(tǒng)的做法是閑置新裝修房子半年，并且保持室內(nèi)通風(fēng)，讓有害氣體完全揮發(fā)，然后再入住。但如此費(fèi)時(shí)費(fèi)力也只是可以降低危害，避過甲醛等危害最大的時(shí)段而已，并不能消除危險(xiǎn)。
將氣體傳感器應(yīng)用于家庭生活環(huán)境，針對甲醛、苯、甲苯等揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）添加獨(dú)立的氣體檢測產(chǎn)品，或?qū)怏w傳感器與空調(diào)、空氣清新機(jī)、空氣凈化器等融為一體，達(dá)到內(nèi)室污染檢測與治理相結(jié)合的目的，既可對久居家中的老、弱、婦、孺等低抵抗力人群起到最大的保護(hù)作用，又可讓在外拼搏的親人安心。而今火爆的智能家居產(chǎn)品，之所以關(guān)注日益升溫，除了安全舒適層面，親情關(guān)愛想來也是其中重要原因之一。就家居應(yīng)用特點(diǎn)而言，半導(dǎo)體氣體傳感器以響應(yīng)恢復(fù)快、適用檢測氣體種類多、壽命長等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，而電化學(xué)氣體傳感器則以靈敏度高、線性度等突出特點(diǎn)獲得青睞。
針對室內(nèi)空氣的PM2.5粉塵檢測
室內(nèi)PM2.5主要來源于吸煙、炒菜時(shí)候的油煙以及不完全燃燒的煤氣等情況，容易導(dǎo)致多種疾病，特別對于老人、兒童、嬰兒或者是原本就有呼吸、心血管系統(tǒng)疾病的人傷害特別嚴(yán)重，例如造成主神經(jīng)紊亂從而波及心臟或者直接到達(dá)心臟，引發(fā)心肌梗塞；引起血液系統(tǒng)毒性，導(dǎo)致血管疾??；附著很多重金屬及多環(huán)芳烴等有害物體，可直接影響胎兒的發(fā)育等。傳統(tǒng)的做法是開窗通風(fēng)，在做飯時(shí)候使用抽油煙機(jī)強(qiáng)行排出粉塵氣體。這些做法并不能確保室內(nèi)空氣的干凈。
PM2.5粉塵傳感器通過紅外光在灰塵顆粒物的散射作用統(tǒng)計(jì)空氣中的顆粒數(shù)量，可以靈敏檢測直徑1um以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動吸入空氣，減少測量誤差，并且體積小，易于安裝使用。
針對新車室內(nèi)空氣&酒駕的檢測
據(jù)調(diào)查，93.6%的新車室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重超標(biāo)，而車內(nèi)空氣污染源主要來自車體本身、裝飾用材等，其中甲醛、二甲苯、苯等有毒物質(zhì)污染后果最為嚴(yán)重，可能誘發(fā)癌變。另一種屢見報(bào)端的車內(nèi)危害氣體，是被稱為“沉默的殺手”的一氧化碳，其主要來源是汽車發(fā)動機(jī)和汽車尾氣，因停車時(shí)開啟空調(diào)而產(chǎn)生，若聚集于車內(nèi)時(shí)，車內(nèi)人員會因吸入這種無色無味的毒氣而在不覺中中毒身亡。采用適合的氣體傳感器，不僅可監(jiān)測車內(nèi)甲醛、二甲苯、苯等揮發(fā)性有機(jī)物，也可以監(jiān)測車內(nèi)一氧化碳濃度，起到安全預(yù)警的作用，提醒車主采取有效的改善措施，防止悲劇的發(fā)生。對于車內(nèi)的使用需求，目前已有多款中高端車型配備了與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動的半導(dǎo)體氣體傳感器，而后裝市場的車內(nèi)氣體污染檢測產(chǎn)品更是品種繁多，不勝枚舉。
在這些具體的應(yīng)用案例中，氣體傳感器能夠盡責(zé)的完成檢測任務(wù)，給用戶提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。但是還不止于此，基于這些精確數(shù)據(jù)的聯(lián)動才是未來的發(fā)展方向，例如檢測到室內(nèi)甲醛或PM2.5超標(biāo)，可及時(shí)聯(lián)動排氣系統(tǒng)或者負(fù)氧離子設(shè)備，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量；檢測到家中燃?xì)庑孤r(shí)，及時(shí)關(guān)閉閥門，同時(shí)打開排氣系統(tǒng)，并發(fā)出報(bào)警通知用戶與控制中心；檢測到車內(nèi)污染物即啟動空調(diào)換氣系統(tǒng)，消除危害等。另外，如果互動系統(tǒng)完全是由一家企業(yè)提供，無論是空氣檢測標(biāo)準(zhǔn)，還是聯(lián)動啟動標(biāo)準(zhǔn)都是一致的，但當(dāng)系統(tǒng)由不同企業(yè)設(shè)備，采用不同傳感器組成時(shí)，檢測標(biāo)準(zhǔn)、聯(lián)動標(biāo)準(zhǔn)需要統(tǒng)一。而未來家居、可穿戴等智能化市場，用戶更希望自由的選擇廠商品牌設(shè)計(jì)。如此，如何建立統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)對任何一家傳感器廠商都非常有意義。
氣體傳感器技術(shù)
電化學(xué)式氣體傳感器：通常是由膜電極和電解液灌封而成，其具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性好、能夠?qū)崿F(xiàn)定量檢測（可用于ppm級）等優(yōu)點(diǎn)。
半導(dǎo)體式氣體傳感器：利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料在一定溫度下，電導(dǎo)率隨環(huán)境氣體成份變化而變化的原理制成。這類傳感器適用范圍廣，壽命較長，價(jià)格較低，適宜民用氣體檢測需求。
傳感器模組：最大程度的降低后端開發(fā)設(shè)計(jì)人員對傳感器的認(rèn)知要求，為后端開發(fā)人員快速上手、簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供便利。
與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)相比，基于MEMS技術(shù)生產(chǎn)的傳感器擁有體積小、重量輕、能耗低、可靠性高、一致性好等特點(diǎn)，便于智能化應(yīng)用和自動化生產(chǎn)。隨著智能手機(jī)、智能穿戴設(shè)備的爆量增長，MEMS傳感器的需求也在迅速增加。
總結(jié)
隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場對傳感器的需求必然大增，但是技術(shù)性能要求也將會提高。目前，中國的氣體傳感器市場仍然存在不少問題，如行業(yè)整體實(shí)力不強(qiáng)、創(chuàng)新能力不足、惡性競爭嚴(yán)重等。這些都造成中國氣體傳感器技術(shù)相對落后，市面上大量的電化學(xué)氣體傳感器主要由霍尼韋爾、阿爾法、Dart等國外公司生產(chǎn)控制。另外，氣體傳感器數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)各自為政，不愿開放合作也是嚴(yán)重阻礙IOT發(fā)展的因素之一。在未來IOT時(shí)代，中國必然是一個(gè)龐大的市場，同時(shí)也免不了“腥風(fēng)血雨的廝殺”，只有開放合作才能實(shí)現(xiàn)共贏。
