（一）發(fā)展方向

未來(lái)十到十五年之前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，氣體傳感器在移動(dòng)終端與可穿戴設(shè)備、微型環(huán)境監(jiān)測(cè)站、微型機(jī)器人、智慧醫(yī)療的領(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

基于微型氣體傳感陣列構(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)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、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)。基于深度學(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。

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