楊斌1，文震2

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院)

　　作為人工嗅覺(jué)的核心元件，氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、食品安全和軍事航天等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先從氣體傳感器的分類與應(yīng)用闡述了該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展概況，重點(diǎn)從氣敏材料、機(jī)理、器件與算法等方面描述了氣體傳感器技術(shù)的研究進(jìn)展。最后全面展望了氣體傳感器技術(shù)與人工嗅覺(jué)的發(fā)展方向與動(dòng)態(tài)，并提出了對(duì)我國(guó)該領(lǐng)域的發(fā)展建議。

　　嗅覺(jué)是五種基礎(chǔ)感知之一，作為嗅覺(jué)傳感的核心元件，氣體傳感器能感知環(huán)境中氣氛的種類與濃度，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、食品安全和軍事航天等領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。在發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)發(fā)具有高敏感度(Sensitivity)、高選擇性(Selectivity)、高穩(wěn)定性(Stability)、快響應(yīng)時(shí)間(Speed)、低功耗(Power)和低成本(Cost)的“4S2P”特性的氣體傳感器是主要目標(biāo)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、微納加工技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用氣體傳感器陣列(模擬生物嗅覺(jué)中的嗅覺(jué)感受器)與人工智能算法(模擬生物嗅覺(jué)中的嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng))構(gòu)建的人工嗅覺(jué)技術(shù)在更多的領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)氣體傳感器從“功能實(shí)現(xiàn)”到“性能提升”到“智能化”的發(fā)展路線。積極探索氣體傳感器的新原理、新材料、新機(jī)制和新器件，對(duì)全面提升人工嗅覺(jué)性能、拓展人工嗅覺(jué)使用范圍具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

　　一、氣體傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　(一)氣體傳感器分類

　　氣體傳感器根據(jù)工作原理分為直接測(cè)量敏感材料電學(xué)性能變化的電學(xué)型氣體傳感器和間接測(cè)量氣體種類與濃度的光學(xué)型氣體傳感器。

　　電學(xué)型氣體傳感器包括半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、催化燃燒型、石英微天平型與聲表面波型。半導(dǎo)體型氣體傳感器主要根據(jù)半導(dǎo)體敏感材料與氣體發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致敏感材料的電子發(fā)生得失，從而改變氣敏材料的電學(xué)性能，通過(guò)檢測(cè)其電學(xué)性能的變化即可準(zhǔn)確地檢測(cè)氣體，由于其制作簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)潔、成本低廉、易于微型化裝配等特點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注，但其響應(yīng)為廣譜響應(yīng)模式，導(dǎo)致其選擇性不高。電化學(xué)氣體傳感器是將測(cè)量對(duì)象氣體在電極處氧化或還原形成電流，通過(guò)檢測(cè)電流的大小即可確定氣體濃度，具有響應(yīng)準(zhǔn)確度高、一致性好的特點(diǎn)，但其壽命較短。催化燃燒式氣體傳感器是利用可燃?xì)怏w催化燃燒產(chǎn)生熱效應(yīng)的原理實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，具有輸出信號(hào)線性好、指數(shù)可靠、價(jià)格便宜、不會(huì)與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉敏感等特點(diǎn)，主要用于可燃性氣體響應(yīng)。石英微天平與聲表面波型氣體傳感器屬于頻率型器件，即敏感材料與氣體反應(yīng)后的電學(xué)性能改變會(huì)使得整體器件的頻率發(fā)生變化，特別是聲表面波傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)線無(wú)源、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合用于難以維護(hù)或需要長(zhǎng)期工作的場(chǎng)合。

　　間接測(cè)量型氣體傳感器主要是紅外氣體傳感器。紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系來(lái)檢測(cè)氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。該類型的傳感器不需要與待測(cè)氣體直接接觸，適用于一些特種環(huán)境中的測(cè)試，如高污染環(huán)境、文物保護(hù)等。

　　(二)氣體傳感器的應(yīng)用

　　國(guó)內(nèi)氣體傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域上經(jīng)歷了從工業(yè)氣體的監(jiān)測(cè)到環(huán)境氣氛監(jiān)測(cè)的過(guò)程。同時(shí)，氣體傳感器應(yīng)用經(jīng)歷了從單個(gè)傳感器的使用，到陣列化模組的使用，到基于物聯(lián)網(wǎng)的智能器件的使用。

　　目前，氣體傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?

　　室外環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)。主要檢測(cè)氮氧化物、二氧化硫、硫化氫等氣體。主要采用電化學(xué)型氣體傳感器，該傳感器具有靈敏度高，精度高等特點(diǎn)，但相對(duì)壽命較短、成本較高。

　　室內(nèi)環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)氣體揮發(fā)性有機(jī)污染物(甲醛、苯等)。主要采用半導(dǎo)體氣體傳感器，該傳感器具有成本低廉、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

　　密閉環(huán)境氣氛監(jiān)測(cè)。例如軍事領(lǐng)域中潛艇、航天領(lǐng)域中航天器艙內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)氧氣、二氧化碳、氮氧化物等。主要采用半導(dǎo)體氣體傳感器與紅外光譜氣體傳感器。

　　易燃易爆氣體的監(jiān)測(cè)。如：礦井坑道中對(duì)于甲烷氣體的監(jiān)測(cè);新型氫能源領(lǐng)域(氫能源站、氫動(dòng)力汽車等)對(duì)于氫氣的監(jiān)測(cè)。在該應(yīng)用方向中，主要采用催化燃燒式氣體傳感器，該傳感器具有選擇性好，靈敏度高、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

　　二、氣體傳感器研究動(dòng)態(tài)

　　目前針對(duì)氣體傳感器的研究主要集中在材料、機(jī)理、器件與算法等方面。

　　(一)氣敏材料

　　氣體敏感材料是氣體傳感器的核心和研究熱點(diǎn)。金屬氧化物半導(dǎo)體材料是最早被運(yùn)用于氣體傳感器敏感材料之一。

　　目前商用金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器材料大多以SnO2為主體材料。此外，氧化鋅(ZnO)、氧化鎢(WO3)、氧化銦(In2O3)、氧化銅(CuO)、氧化鎳(NiO)、氧化鐵(Fe2O3)等金屬氧化物也由于各自的特性被用于氣敏材料。此外，一些三元氧化物如鈣鈦礦類型材料也被用于氣敏響應(yīng)中。但金屬氧化物半導(dǎo)體大多需要在較高的溫度(300～500℃)才能與氣體分子進(jìn)行響應(yīng)，在一定程度上限制了該類氣體傳感器技術(shù)的發(fā)展。

　　膠體量子點(diǎn)是通過(guò)濕化學(xué)合成法制備并穩(wěn)定分散在有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑中的半導(dǎo)體納米晶粒。由于晶粒尺寸通常在10納米以下，不僅比表面積大、表面活性高，而且由于晶粒尺寸達(dá)到與德拜長(zhǎng)度相比擬的范疇而出現(xiàn)晶粒尺寸效應(yīng)，因而蘊(yùn)含著極高的氣敏效應(yīng)。調(diào)節(jié)其點(diǎn)缺陷組成和電子能級(jí)結(jié)構(gòu)以及表面配體修飾，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)遷移率、表面活性、氣敏選擇性的調(diào)控，解決傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏選擇性不佳的缺點(diǎn)。因此，量子點(diǎn)材料在氣敏領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?

　　金屬-有機(jī)框架物(MOFs)是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過(guò)配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面積、孔道規(guī)則、孔徑可調(diào)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣性和可裁剪性等優(yōu)點(diǎn)。因此可以通過(guò)調(diào)整框架物的孔洞大小來(lái)控制不同氣體分子的吸附，并可以顯著改善氣敏材料的選擇性。

　　導(dǎo)電高分子是由具有共軛π鍵的高分子經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)“摻雜”使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料。由于導(dǎo)電高分子的室溫電導(dǎo)率可以在大范圍內(nèi)通過(guò)摻雜來(lái)調(diào)控，同時(shí)摻雜過(guò)程可以顯著影響氣體分子與高分子材料的響應(yīng)過(guò)程，因此導(dǎo)電高分子也是非常具有潛力的室溫半導(dǎo)體氣敏材料。另外，導(dǎo)電高分子由于有較好的拉伸性與彎折性，特別適合制備柔性氣體傳感器，是未來(lái)穿戴型氣體傳感器的重要敏感材料。

　　目前在氣體傳感器研究中，由于敏感材料的特性決定了其主要性能，因此敏感材料的研究是氣體傳感器的主要研究方向，也是本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)方向，主要研究方向?yàn)殚_(kāi)發(fā)低工作溫度、高敏感度、高選擇性納米氣敏材料。

　　(二)氣敏機(jī)理研究

　　氣體敏感過(guò)程為氣體分子與敏感材料表面進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)，一直是本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。通過(guò)氣敏機(jī)理的研究一方面可以理解氣體敏感過(guò)程，另一方面也可以指導(dǎo)敏感材料的設(shè)計(jì)。目前，半導(dǎo)體型氣敏材料主要有氧離化模型(又稱Langmuir-Hinshelwood模型)和氧化還原模型(又稱Mars van Krevelen模型)。兩種模型的區(qū)別主要在于參與氣敏反應(yīng)的活性物質(zhì)不同，氧離化模型中主要是吸附在敏感薄膜表面的氧負(fù)離子，而氧化還原模型中主要是敏感薄膜中的氧空位。

　　目前對(duì)于氣敏機(jī)理的研究有非原位與原位方法。非原位方法主要采用普通的表征手段，對(duì)氣敏反應(yīng)前后的材料狀態(tài)進(jìn)行研究，從而推斷氣敏反應(yīng)的過(guò)程。非原位的方法只能從靜態(tài)角度推算氣敏機(jī)理過(guò)程，因此并不能完全體現(xiàn)氣敏機(jī)理中的細(xì)節(jié)。原位方法是指在氣敏反應(yīng)過(guò)程中對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行跟蹤，可以更加精確地研究反應(yīng)機(jī)理。程序升溫脫附實(shí)驗(yàn)方法(TPD)是在規(guī)定升溫步驟的過(guò)程中監(jiān)測(cè)敏感材料表面氣體分子脫附過(guò)程的變化，進(jìn)而獲得敏感材料的響應(yīng)機(jī)理。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)方法可以證明，在673K以下，氣敏反應(yīng)以氧離化模型為主;在673K以上，氣敏反應(yīng)以氧化還原為主。這是因?yàn)樵诟邷叵?，氧空位才具有一定的反?yīng)活性。原位紅外漫反射傅里葉變換譜(in-situ DRIFT)可以檢測(cè)氣敏反應(yīng)過(guò)程中敏感材料表面基團(tuán)種類與數(shù)量的變化。通過(guò)該方法，我們可以在氣敏材料實(shí)時(shí)響應(yīng)中探究敏感薄膜表面基團(tuán)的變化，進(jìn)而獲得氣敏反應(yīng)過(guò)程。目前，采用該方法已獲得SnO2等材料的氣敏反應(yīng)機(jī)理。但由于氣敏反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，許多有機(jī)物的特征峰在紅外區(qū)重合較多，因此對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)氣體的響應(yīng)過(guò)程目前仍然在研究中。

　　(三)器件研究

　　敏感材料主要與氣體分子進(jìn)行反應(yīng)，主要完成氣體/氣味感知器的功能。敏感材料感知?dú)怏w分子后的信號(hào)需要通過(guò)合理的器件結(jié)構(gòu)將該信號(hào)傳導(dǎo)出來(lái)。目前，半導(dǎo)體型氣體傳感器的器件結(jié)構(gòu)主要分為兩端型電阻式氣體傳感器與三端型場(chǎng)效應(yīng)管式氣體傳感器。

　　兩端電阻式器件結(jié)構(gòu)采用對(duì)電極或叉指電極的方式，將氣敏材料電阻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷娮璧淖兓擃愋蛡鞲衅髌骷Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是目前商用半導(dǎo)體類型氣體傳感器的主要器件結(jié)構(gòu)，但其缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)小信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。場(chǎng)效應(yīng)管式(FET)器件結(jié)構(gòu)是采用場(chǎng)效應(yīng)管作為轉(zhuǎn)換器件，敏感材料作為場(chǎng)效應(yīng)管溝道有源層或者修飾柵極，利用場(chǎng)效應(yīng)管的電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行氣敏測(cè)試。采用場(chǎng)效應(yīng)管器件結(jié)構(gòu)時(shí)，敏感材料上微弱電信號(hào)的改變可以通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行放大，特別適合于微量濃度氣體的檢測(cè)。

　　兩端電阻式器件結(jié)構(gòu)最初采用陶瓷加工工藝實(shí)現(xiàn)，陶瓷材料價(jià)格低廉、耐高溫，非常適合加熱型金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件。隨著微納加工工藝的發(fā)展，采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝開(kāi)發(fā)的硅基微熱板正在逐步取代陶瓷板，進(jìn)一步縮小傳感器體積與功耗。目前運(yùn)用MEMS技術(shù)的氣體傳感器主要包括半導(dǎo)體型與諧振式微懸臂梁式氣體傳感器。諧振式微懸臂梁氣體傳感器主要是在微懸臂梁上涂敷敏感材料，當(dāng)氣體吸附在敏感膜上時(shí)，會(huì)改變?cè)撐冶哿旱恼駝?dòng)頻率，通過(guò)檢測(cè)該頻率的變化即可換算出氣體的濃度。該類型傳感器目前主要采用熱激勵(lì)與壓阻檢測(cè)的方式，該方式具備與目前半導(dǎo)體工藝完全兼容的優(yōu)勢(shì)，利于傳感器的進(jìn)一步集成。進(jìn)一步，還可以將不同材料的氣體傳感器集成形成氣敏陣列，用于多種氣體的探測(cè)。同時(shí)，采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝制備的場(chǎng)效應(yīng)管式氣體傳感器亦具有較小的尺寸，并形成氣敏陣列。可以看出，采用目前成熟硅基半導(dǎo)體工藝可以大幅降低半導(dǎo)體型傳感器尺寸與功耗，并降低制造成本，有望實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的大規(guī)模制造，并能形成氣敏陣列，配合深度學(xué)習(xí)等人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物嗅覺(jué)的模擬，即實(shí)現(xiàn)人工嗅覺(jué)傳感的功能。

　　柔性半導(dǎo)體氣體傳感器也成為了近年來(lái)半導(dǎo)體氣體傳感器領(lǐng)域一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。一些低維納米材料、導(dǎo)電高分子材料可采用旋涂、提拉、印刷、打印等方式將氣敏材料按所需的圖形涂覆在耐熱溫度較低的塑料(如PET聚酯、聚酰亞胺PI)甚至是紙等襯底上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽?，進(jìn)而可采用紡織技術(shù)與其它電子單元一起集成在織物面料上制作成智能織物，實(shí)現(xiàn)可穿戴半導(dǎo)體氣體傳感器的制備與應(yīng)用。

　　(四)算法研究

　　隨著氣體傳感器的小型化、陣列化與集成化的發(fā)展，采用微型氣體傳感器陣列配合人工智能算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于哺乳動(dòng)物生物嗅覺(jué)模擬的過(guò)程，即采用氣體傳感器模擬嗅覺(jué)受體與環(huán)境氣氛響應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，采用人工智能領(lǐng)域中模式識(shí)別算法模擬大腦，處理收集的信號(hào)進(jìn)行分析并輸出識(shí)別結(jié)果?？梢钥吹?，在人工嗅覺(jué)系統(tǒng)中，模式識(shí)別算法同樣決定了識(shí)別精度，一直是研究的重點(diǎn)。

　　嗅覺(jué)模式識(shí)別算法隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。在20世紀(jì)90年代，由于計(jì)算機(jī)硬件性能有限，嗅覺(jué)模式識(shí)別主要采用主元成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)等降維算法方式。該方法計(jì)算量較小，對(duì)硬件依賴較低，也便于可視化輸出結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)硬件能力的提升，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的算法也在嗅覺(jué)感知系統(tǒng)中被使用。ANN采用模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，其算法主要是采用具有可以估計(jì)輸入數(shù)據(jù)的非線性函數(shù)關(guān)系和一組可以被調(diào)節(jié)的權(quán)重組成，通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式自動(dòng)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的權(quán)重，從而影響函數(shù)關(guān)系的最終結(jié)果，完成分類任務(wù)。該方法在有干擾的情況下具有很好的識(shí)別效果，但該方法輸入端仍然采用自定義特征，同時(shí)缺乏反饋機(jī)制，對(duì)于復(fù)雜任務(wù)，特別是在非常相近的氣味識(shí)別上存在識(shí)別率較低的問(wèn)題。近幾年，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等在視覺(jué)識(shí)別、語(yǔ)義判定以及下棋決策等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，將深度學(xué)習(xí)引入到嗅覺(jué)識(shí)別領(lǐng)域可以進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確度。在最近研究過(guò)程中，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)對(duì)整體響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，提取特征進(jìn)行分類判定，取得了非常好的效果，但該算法是完全借用圖像識(shí)別中的算法，將整體曲線作為二維圖像輸入至算法中，一些與傳感器相關(guān)的時(shí)序特征并未被有效地提取，同時(shí)算法未優(yōu)化，導(dǎo)致效率較低。

　　直到現(xiàn)在，未出現(xiàn)專針對(duì)于嗅覺(jué)識(shí)別的算法。而嗅覺(jué)識(shí)別過(guò)程與視覺(jué)識(shí)別、語(yǔ)義判別存在較大的區(qū)別。特別是在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用環(huán)境非常復(fù)雜，亟需針對(duì)于嗅覺(jué)識(shí)別的過(guò)程開(kāi)發(fā)專用的深度學(xué)習(xí)算法。

　　三、發(fā)展方向與建議

　　(一)發(fā)展方向

　　未來(lái)10～15年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，氣體傳感器在如下的領(lǐng)域中有著巨大的需求：

　　移動(dòng)終端與可穿戴設(shè)備。在目前的移動(dòng)終端(例如手機(jī))中，已經(jīng)集成了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感知器件，若進(jìn)一步在移動(dòng)終端中集成氣體/嗅覺(jué)感知器件，可以使得移動(dòng)終端器件具備環(huán)境氣氛感知的功能，可以用于室內(nèi)外污染氣體的監(jiān)測(cè)、香水香味檢測(cè)、食物變質(zhì)與假冒偽劣檢測(cè)、口氣檢測(cè)等。

　　微型環(huán)境監(jiān)測(cè)站?；谖⑿蜌怏w傳感陣列構(gòu)建微型環(huán)境監(jiān)測(cè)站，縮小體積、降低成本，并與路燈、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站集成，使之能應(yīng)用于社區(qū)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)，采用大數(shù)據(jù)挖掘獲得區(qū)域內(nèi)污染物擴(kuò)散方式，追蹤污染物種類、濃度的變化趨勢(shì)，為污染源頭溯源、污染物治理提供決策依據(jù)。

　　微型機(jī)器人。在微型機(jī)器人或無(wú)人機(jī)上集成氣體/嗅覺(jué)感知器件，可以用于化工區(qū)危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏溯源，工業(yè)園區(qū)污染排放監(jiān)控與定位，也可用于天然氣等化工物質(zhì)運(yùn)輸管道巡檢，定位泄漏源。

　　智慧醫(yī)療。目前，在醫(yī)學(xué)中已經(jīng)有數(shù)據(jù)證明人體呼出氣與自身疾病之間有一定關(guān)聯(lián)性，例如糖尿病患者的呼出氣中丙酮含量較高，采用嗅覺(jué)感知器件可以更精確地識(shí)別目標(biāo)氣體，提供可靠的醫(yī)學(xué)判據(jù)。一方面可以作為居家檢測(cè)方式，進(jìn)行長(zhǎng)期健康狀況的監(jiān)測(cè)，一方面也可以作為醫(yī)院中一些疾病的無(wú)創(chuàng)初篩檢測(cè)。

　　(二)發(fā)展動(dòng)態(tài)

　　目前，根據(jù)Yole Development的分析報(bào)告，到2023年，全球氣體傳感器市場(chǎng)將達(dá)到10億美元。而我國(guó)一直是氣體傳感器應(yīng)用大國(guó)，相應(yīng)的，國(guó)內(nèi)氣體傳感器的市場(chǎng)將達(dá)到1億美元。在我國(guó)高校與中科院系統(tǒng)中，有較多的單位與學(xué)者參與氣體傳感器研究。其中吉林大學(xué)是從事氣敏研究最早也是實(shí)力最雄厚的，被譽(yù)為“北氣敏”，研究包括半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器、催化燃燒型傳感器等多種氣體傳感器。華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)等院校在不同類型的傳感器及氣敏材料研究上具備較強(qiáng)的實(shí)力。中科院下轄的半導(dǎo)體所、微系統(tǒng)所、電子學(xué)所、微電子所等在傳感器與集成系統(tǒng)上有著深厚的研究基礎(chǔ)。

　　目前氣體傳感器高端市場(chǎng)基本被國(guó)際知名傳感器廠商占據(jù)。如美國(guó)霍尼韋爾、日本費(fèi)加羅、德國(guó)博世、瑞士Sensirion、英國(guó)GSS等。國(guó)內(nèi)目前有河南漢威集團(tuán)在電化學(xué)、催化燃燒、半導(dǎo)體、紅外NDIR四種氣體傳感器上具備完整的生產(chǎn)能力，蘇州慧聞納米科技有限公司在微納半導(dǎo)體型氣體傳感器上具備生產(chǎn)能力，但性能相較于國(guó)外廠商還存在一定的差距。隨著氣體傳感器往嗅覺(jué)感知器件上的發(fā)展，國(guó)際上，德國(guó)博世、日本費(fèi)加羅、美國(guó)霍尼韋爾、瑞士Sensirion幾大傳感器廠商已經(jīng)在嗅覺(jué)感知器件上進(jìn)行相關(guān)研發(fā)，其中德國(guó)博世、瑞士Sensirion已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了陣列傳感器與處理電路集成的初級(jí)嗅覺(jué)感知芯片，同時(shí)正在開(kāi)發(fā)集成度更高、集成人工智能識(shí)別算法的嗅覺(jué)感知器件。而目前國(guó)內(nèi)傳感器企業(yè)中仍處在生產(chǎn)氣體傳感器層面，并無(wú)商品化初級(jí)嗅覺(jué)感知器件問(wèn)世。

　　相比而言，德國(guó)與日本的研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界有較深度的融合，科研機(jī)構(gòu)往往直接對(duì)接產(chǎn)業(yè)界，例如德國(guó)圖賓根大學(xué)與德國(guó)博世公司有深度的合作，日本九州大學(xué)直接孕育了費(fèi)加羅公司。而目前我國(guó)科研界與產(chǎn)業(yè)界之間仍存在較大的斷層，例如，科研界發(fā)明的新材料、新器件等無(wú)法用于產(chǎn)業(yè)界，而產(chǎn)業(yè)界所提出的穩(wěn)定性、選擇性等問(wèn)題科研界也無(wú)法解決。因此亟需解決科研界與產(chǎn)業(yè)界的溝通渠道。重點(diǎn)打通敏感材料合成、陣列化器件制備、芯片化封裝測(cè)試、嗅覺(jué)識(shí)別算法等關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)發(fā)適用于新興應(yīng)用的智能嗅覺(jué)感知器件，占領(lǐng)未來(lái)智能嗅覺(jué)應(yīng)用的市場(chǎng)。

　　(三)發(fā)展建議

　　我國(guó)氣體傳感器發(fā)展亟需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破：

　　氣體傳感器協(xié)同設(shè)計(jì)與集成制造。采用MEMS與CMOS技術(shù)進(jìn)一步縮小傳感器尺寸，實(shí)現(xiàn)傳感器晶圓級(jí)制造，將多個(gè)傳感器集成在一起形成傳感器陣列，并融合數(shù)據(jù)處理等模塊，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)封裝制造。目前，德國(guó)博世與瑞士Sensirion公司已經(jīng)完成四種金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的集成，同時(shí)還集成了溫濕度傳感器。另一方面，紅外NDIR傳感器也借助微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小型化制備，將整體尺寸縮小到毫米級(jí)別。為了真正實(shí)現(xiàn)人工嗅覺(jué)，需要借助微納加工方法將不同種類的氣體傳感器盡量多的集成在一起形成大型氣體傳感器陣列，就如視覺(jué)感知器件所需的像元陣列一樣。

　　結(jié)合深度學(xué)習(xí)的智能氣體傳感。真實(shí)環(huán)境中的氣氛非常復(fù)雜，同時(shí)發(fā)展基于嗅覺(jué)識(shí)別的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，并融合至AI芯片中，形成智能嗅覺(jué)感知系統(tǒng)時(shí)環(huán)境溫濕度也一直在變化，為了精確識(shí)別氣體的種類與濃度需要更加智能的嗅覺(jué)感知系統(tǒng)?；谏疃葘W(xué)習(xí)的模式識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在其他領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用并展現(xiàn)了強(qiáng)大的識(shí)別能力，但針對(duì)于嗅覺(jué)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)還處于初級(jí)階段。要配合傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的氣體精確識(shí)別。

　　氣體敏感機(jī)理模型化。氣體感知過(guò)程本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)，與視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)是物理反應(yīng)不同，其本身的反應(yīng)較為復(fù)雜，對(duì)于氣敏材料的響應(yīng)機(jī)理目前仍處于宏觀上的認(rèn)識(shí)，其中具體的反應(yīng)過(guò)程、制約反應(yīng)的根本因素等還未解釋得非常清晰，包括對(duì)于人類嗅覺(jué)的感知過(guò)程也暫未理清。深入研究氣敏反應(yīng)包括人類嗅覺(jué)感知過(guò)程可以進(jìn)一步指導(dǎo)對(duì)氣敏材料的開(kāi)發(fā)，有助于提高傳感器性能，解決傳感器選擇性、穩(wěn)定性等問(wèn)題。