據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，F(xiàn)ujitsu Laboratories公司近日宣布基于石墨烯的新型原理，開發(fā)出了全球首款超靈敏氣體傳感器，石墨烯是一種碳原子排布形成厚度僅為一個(gè)原子的準(zhǔn)二維材料。

　　該研究成果為開發(fā)能夠快速、靈敏地監(jiān)測特定氣體組份的緊湊型儀器開辟了道路，可應(yīng)用于探測大氣污染，或人體呼吸中的有機(jī)衍生氣體。

　　Fujitsu Laboratories公司開發(fā)的這種新型氣體傳感器利用了一種新的傳感原理，其硅晶體管的絕緣柵部分由石墨烯取代。該傳感器能夠探測濃度低于10 ppb（十億分之一）的NO2（二氧化氮）和NH3（氨氣）；其對于NO2的靈敏度更是提高了十余倍，探測濃度低于1 ppb。

　　新開發(fā)的石墨烯絕緣柵傳感器示意圖（左），以及傳感器產(chǎn)品的掃描電鏡顯微照片（右）

　　當(dāng)氣體分子附著在石墨烯上時(shí)，改變了石墨烯的功函數(shù)（work function），其結(jié)果引起了硅晶體管的閾值變化。這就是該傳感器的感測原理。當(dāng)氣體分子從石墨烯層脫離后，石墨烯又會恢復(fù)其原始狀態(tài)。

　　該技術(shù)預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而這之前，根據(jù)所測量氣體的不同，甚至可能需要花費(fèi)數(shù)十個(gè)小時(shí)的時(shí)間。該技術(shù)也將簡化人體呼吸的氣體組份監(jiān)測，從而用于疾病的快速發(fā)現(xiàn)。

　　該技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容公布于2016年12月3日在美國舊金山開幕的2016 IEEE國際電子器件會議上。

　　氣體傳感器技術(shù)和市場：

　　顛覆性技術(shù)和新興應(yīng)用將使氣體傳感器市場一路飆升！

　　Gas Sensor Technology and Market

　　氣體傳感器的大規(guī)模市場應(yīng)用一觸即發(fā)

　　空氣質(zhì)量正成為一項(xiàng)重要的環(huán)境問題。污染會降低我們吸入的空氣質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致身體健康問題。例如糟糕的空氣會加重過敏和呼吸系統(tǒng)疾病，如引發(fā)哮喘。此外，某些日常活動(dòng)可能會釋放出有害氣體，在極端情況下，類似一氧化碳的有害氣體會導(dǎo)致死亡。因此，氣體傳感器吸引了越來越多廠商的興趣。氣體感測并不是一項(xiàng)新技術(shù)，集成氣體傳感器的氣體探測設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于國防和工業(yè)安全，并形成了一個(gè)高度管制和成熟的市場。但是人類社會面臨的空氣質(zhì)量問題，以及環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)，為氣體傳感器創(chuàng)造了新的應(yīng)用和市場機(jī)會，包括消費(fèi)類產(chǎn)品（如智能家居、可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)）、建筑物和汽車（室內(nèi)和車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測）。

　　根據(jù)我們市場調(diào)研，目前氣體傳感器市場主要受暖通空調(diào)（HVAC）驅(qū)動(dòng)增長，而未來將受消費(fèi)類應(yīng)用驅(qū)動(dòng)增長。2014年，氣體傳感器市場規(guī)模為5.6億美元，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到9.2億美元，未來五年的復(fù)合年增長率為7.3%。如果氣體傳感器在消費(fèi)類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，那么2021年的市場營收上浮6500萬美元也是可能的。

　　2014-2021年氣體傳感器市場營收預(yù)測

　　* 受到更好的能源管理需求驅(qū)動(dòng)，氣體傳感器在建筑市場將實(shí)現(xiàn)快速增長，未來五年的復(fù)合年增長率為13.6%，2021年市場營收約為2.37億美元。

　　* 醫(yī)療行業(yè)正需要高靈敏度哮喘檢測傳感器、用于呼吸控制的氧氣傳感器。

　　* 消費(fèi)類應(yīng)用，如智能家居、可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)，正在推動(dòng)新型MEMS氣體傳感器發(fā)展，以降低成本和功耗、減小尺寸。

　　* 由于人們對室外空氣質(zhì)量控制的渴望，環(huán)境保護(hù)市場未來五年的復(fù)合年增長率高達(dá)19%。

　　* 交通運(yùn)輸市場主要由氧氣傳感器驅(qū)動(dòng)發(fā)展，未來的目標(biāo)是努力減少汽車排放污染。

　　消費(fèi)類市場是非常有吸引力的，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生很大的市場，當(dāng)然這取決于用戶使用情況、產(chǎn)品成本和技術(shù)成熟度。如今，智能手機(jī)行業(yè)已經(jīng)徹底改變了傳感器產(chǎn)業(yè)，集成了種類繁多的傳感器。同樣地，氣體傳感器也可以集成于智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備中。例如深圳市卡卓無線信息技術(shù)有限公司（K-Free）手機(jī)設(shè)計(jì)方案采用了Cambridge CMOS Sensors（簡稱CCS）的全數(shù)字架構(gòu)MEMS氣體傳感器CCS811。該傳感器可以感測揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOC），如家具產(chǎn)生的甲醛，甚至還能作為警察檢測酒駕的呼吸測試器。

　　本報(bào)告假設(shè)了氣體傳感器在消費(fèi)類應(yīng)用中可能出現(xiàn)的三種情形：

　　* 現(xiàn)實(shí)情形（Realistic scenario）：未來幾年，智能手機(jī)集成氣體傳感器的“步伐”緩慢，只有二線和三線智能手機(jī)廠商使用氣體傳感器。

　　* 樂觀情形（Optimistic scenario）：2016年，某些主流智能手機(jī)集成了氣體傳感器，并在未來五年日益普及。該情形取決于技術(shù)成熟度和成本。

　　* “過山車”情形（“Rollercoaster” scenario）：2016年，某些主流智能手機(jī)集成了氣體傳感器，但是一年后，由于沒有明確的用戶需求，氣體傳感器又被剔除。例如三星Galaxy S3首次集成了濕度傳感器，但一年之后發(fā)布的Galaxy S4卻剔除了濕度傳感器。

　　氣體傳感器技術(shù)和商業(yè)需求

　　氣體傳感器的技術(shù)之爭

　　氣體傳感器技術(shù)紛繁復(fù)雜，有九種不同的方法。一般情況下，選擇何種氣體傳感器技術(shù)取決于價(jià)格、尺寸、功耗、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。

　　金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)應(yīng)用較廣，涵蓋醫(yī)療、交通運(yùn)輸、暖通空調(diào)、消費(fèi)類產(chǎn)品，并且使用壽命長（5~10年）。催化（Catalytic）和電化學(xué)（electrochemical）技術(shù)是“老”技術(shù)，且使用壽命短（5年以下），主要用于國防和工業(yè)安全。

　　光學(xué)技術(shù)具有最高的精確度和最長的使用壽命，但是由于成本過高和環(huán)境惡劣，并沒有廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸，而是獲得暖通空調(diào)的“青睞”，尤其是非色散紅外傳感器（NDIR）。隨著集成度進(jìn)一步提高，光學(xué)技術(shù)還將打開便攜式工業(yè)檢測系統(tǒng)的市場。光學(xué)技術(shù)，如NDIR、傅立葉變換紅外（FTIR）、化學(xué)發(fā)光（chemiluminescence）和微色譜法（microchromatography），是很準(zhǔn)確的，但是較為笨重和昂貴，某些情況下，功耗也較高。如果NDIR采用光電二極管和LED時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)極低的功耗。

　　MEMS不是一項(xiàng)新的檢測原理，而是一個(gè)新的制造平臺，使得現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)一步小型化：

　　* 采用MOS技術(shù)的公司：Micronas、Microsens、ams、Synkera、CCS、KWJ Engineering、Figaro

　　* 采用IR技術(shù)的公司：CCS、eLichens

　　* 采用色譜法的公司：Spectral Engines、APIX、EcoLogicSense

　　氣體傳感器技術(shù)及相關(guān)廠商分布圖（使用壽命 vs. 應(yīng)用）