在日常生活中，我們感知外界靠眼睛、耳朵和鼻子，在信息化時(shí)代、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代、智能化時(shí)代，我們通過傳感器連接世界。在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、安全、智能生活中，氣體的監(jiān)測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)，氣體傳感器在其中扮演了重要的角色。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，氣體傳感器的應(yīng)用更加廣泛，逐漸向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。這些年，隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的進(jìn)步，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的氣體傳感器逐步被開發(fā)出來，應(yīng)用到各種場(chǎng)合。
MEMS全稱是Micro Electromechanical System，即微機(jī)電系統(tǒng)，是指在尺寸幾毫米甚至更小的材料上構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，滿足一定的使用功能。MEMS涉及物理學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、電子工程、化學(xué)、材料工程、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)、信息工程及生物工程等多種學(xué)科和工程技術(shù)，為智能系統(tǒng)、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、智能家居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開拓了廣闊的用途。
MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到。#MEMS氣體傳感器#是近些年興起的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，用于探測(cè)氣體濃度的MEMS傳感器。
一、MEMS氣體傳感器的原理
a) 氣敏材料: MEMS氣體傳感器采用特殊的氣敏材料，能與目標(biāo)氣體發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料的電阻、容抗或其他電性質(zhì)的變化。
b) 微電子機(jī)械系統(tǒng): 傳感器芯片上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠引起氣敏材料的變形或位移。當(dāng)目標(biāo)氣體與材料發(fā)生反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的壓力或力量將改變微機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。
c) 電學(xué)測(cè)量: MEMS氣體傳感器通過測(cè)量材料電阻、電容等電性質(zhì)的變化來檢測(cè)氣體濃度。這些電性質(zhì)的變化與目標(biāo)氣體的濃度呈正相關(guān)關(guān)系。
二、MEMS氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)
（1）微型化：MEMS器件體積小，一般單個(gè) MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計(jì)量單位，重量輕、耗能低。同時(shí)微型化以后的機(jī)械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/span>
(2)硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng) IC生產(chǎn)工藝：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。
(3)批量生產(chǎn)：以單個(gè) 5mm×5mm尺寸的 MEMS傳感器為例，用硅微加工工藝在一片 8英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約 1000個(gè) MEMS芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè) MEMS的生產(chǎn)成本。
(4)集成化：一般來說，單顆 MEMS往往在封裝機(jī)械傳感器的同時(shí)，還會(huì)集成ASIC芯片，控制 MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量輸出。同時(shí)不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。
(5)多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。
MEMS氣體傳感器體積小、成本低的特點(diǎn)為我們的生活提供了無限的想象，隨著技術(shù)的日益進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用。
三、政策大力支持
在政策方面，國家的支持力度也很大。自2006年以來，國家多部門陸續(xù)印發(fā)支持、規(guī)范MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策，內(nèi)容涵蓋MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展技術(shù)路線、發(fā)展目標(biāo)和應(yīng)用推廣等方面。
其中，2021年1月份，工信部頒發(fā)的《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》在完善MEMS傳感器行業(yè)配套、優(yōu)化發(fā)展環(huán)境方面起到了極大的推動(dòng)作用。具體表現(xiàn)為支持產(chǎn)、學(xué)、研合作，推動(dòng)新型MEMS傳感器向小型化、低功耗、集成化發(fā)展。
另外，“十四五”期間，國內(nèi)不少省份也提出了MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，山東省更是明確指出到2023年，智能傳感器主營業(yè)務(wù)收入達(dá)到300億元。
政策利好，終端需求激增，市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，資本也隨之注入MEMS產(chǎn)業(yè)，相關(guān)廠商持續(xù)突破創(chuàng)新。MEMS技術(shù)有一定的門檻，當(dāng)前， MEMS氣體傳感器技術(shù)尚處于初級(jí)階段，應(yīng)用也處于摸索和推廣階段，國內(nèi)有一些企業(yè)在上面投入較大，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，國外也有幾家成熟的企業(yè)在中國市場(chǎng)推廣。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，MEME氣體傳感器將有更廣闊的應(yīng)用空間，和其它傳感器一樣走進(jìn)我們的日常生活。
四、MEMS氣體傳感器應(yīng)用
1、民用燃?xì)獍踩O(jiān)測(cè)
天然氣在我國的普及越來越高，燃?xì)庑孤┑陌踩珕栴}一直受到廣泛重視，但也時(shí)有事故發(fā)生。為保證生活、生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、使用環(huán)節(jié)的安全，國家相關(guān)單位制定了相應(yīng)的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，要求對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的燃?xì)庑孤?、防爆等進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控。如《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50116-2013規(guī)定了選擇可燃?xì)怏w探測(cè)器的場(chǎng)所和要求?！冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50028-2006（2020版）規(guī)定了居民和商業(yè)用氣安裝燃?xì)鉂舛葯z測(cè)報(bào)警器的要求。各級(jí)地方也有相應(yīng)的法規(guī)出臺(tái)，加強(qiáng)用氣單位和個(gè)人的燃?xì)鈿怏w報(bào)警器監(jiān)控。
目前的可燃?xì)怏w報(bào)警器多采用催化燃燒、紅外、激光等技術(shù)原理，各有優(yōu)劣。采用MEMS氣體傳感器的最大優(yōu)勢(shì)是成本低，適合大面積的聯(lián)網(wǎng)，在局部區(qū)域或整個(gè)城市形成燃?xì)獗O(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)了解和監(jiān)控各終端的燃?xì)庑孤┣闆r，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和采取相應(yīng)防護(hù)措施。智能家居里面，也可根據(jù)燃?xì)鈭?bào)警情況實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)一些防護(hù)措施。
2、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣體監(jiān)測(cè)
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)種植和養(yǎng)殖成為可能。農(nóng)作物的生長與生長環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度、土壤水分等有著密切關(guān)系。如農(nóng)作物光合作用與CO2濃度有很大關(guān)系，通過控制CO2的濃度，有利于作物的生長發(fā)育。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控種植場(chǎng)所的環(huán)境條件，自動(dòng)控制，提高作物產(chǎn)量，也降低人工成本。
同樣，牲畜的成長與養(yǎng)殖環(huán)境有很大關(guān)系，通過傳感器感知養(yǎng)殖環(huán)境和牲畜的生長變化，上傳至科學(xué)養(yǎng)殖平臺(tái)，養(yǎng)殖人員可以做針對(duì)性調(diào)整，讓牲畜的生長環(huán)境保持最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)化控制，從而大大降低人工成本和原料成本。養(yǎng)殖環(huán)境主要包括空氣質(zhì)量、溫濕度、氣壓等，那么空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)可以靠MEMS氣體傳感器實(shí)現(xiàn)。
3、氣味識(shí)別
人工智能嗅覺是一項(xiàng)前沿科技，通過人工智能嗅覺可以在智能家居、環(huán)境檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用。如基于冰箱內(nèi)不同食物在新鮮和腐敗時(shí)的特征氣味差異，建立相應(yīng)的模型，通過氣體傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷冰箱內(nèi)食物的新鮮程度。一旦發(fā)現(xiàn)有腐敗的蔬菜和水果，可以將報(bào)警信息顯示在冰箱面板或者推送到業(yè)主手機(jī)APP。
4、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)
隨著居民生活水平的提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，公共場(chǎng)所和家庭的空氣質(zhì)量狀況是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。如2021年2月，浙江一電影院CO濃度超標(biāo)致63人送醫(yī)這條新聞在朋友圈成為焦點(diǎn)。所以，大型商場(chǎng)和超市、高檔賓館、商務(wù)樓、停車場(chǎng)、影劇院、體育館、圖書館、娛樂場(chǎng)等公共場(chǎng)所安裝有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的凈化設(shè)施或防護(hù)措施，將會(huì)對(duì)該場(chǎng)所的檔次有很大提升。住宅也是一樣，MEMS氣體傳感器可以內(nèi)置于凈化器、空調(diào)或其它智能家居環(huán)境，形成一套完善的智能家居方案，極大地提高住戶生活品質(zhì)和幸福指數(shù)。
公共廁所的空氣質(zhì)量同樣受到關(guān)注，城市智慧公廁通過監(jiān)測(cè)廁所空氣質(zhì)量并上傳至監(jiān)控平臺(tái)，有利于廁所科學(xué)管理，提高監(jiān)管效率。通過報(bào)警器實(shí)時(shí)報(bào)警和語音警示，還可對(duì)違規(guī)在廁所抽煙行為進(jìn)行勸阻，起到一定的監(jiān)管作用。
5、智能產(chǎn)品氣體監(jiān)測(cè)
MEMS氣體傳感器體積小、功耗低、成本低的特點(diǎn)，使得該傳感器在移動(dòng)終端、可穿戴設(shè)備上配置具有可行性。如智能手機(jī)、智能手表、運(yùn)動(dòng)手環(huán)、平板電腦等移動(dòng)端產(chǎn)品除了配置MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、MEMS陀螺儀等，還可以配置MEMS氣體傳感器，隨時(shí)隨地的感知周圍的環(huán)境是否安全、舒適。
當(dāng)然，汽車、火車、飛機(jī)等交通工具作為一個(gè)封閉的空間，空氣質(zhì)量的監(jiān)控也很重要，如果有傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控空間的空氣質(zhì)量，會(huì)讓司乘人員更放心、更有滿足感。
