气体传感为何本地化

测量空气流量、空气质量和化学成分的传感器越来越多地应用于家庭、汽车和工业设施的室内和室外环境监测。但是，尽管这些设备有了大量的新应用，校准和比较这些设备所需的必要标准却远远落后于新型传感器和传感器组合的快速发展。

在过去，空气质量的测量几乎完全依赖于红外光谱、气相色谱/质谱(GC/MS)和化学发光分析等重型、精确的设备。这种新型传感器正在普及使用小型廉价设备进行空气监测。但是关于准确性、安全性和可靠性的问题仍然存在。

有些传感器只测量空气流量，而其他传感器则测量空气中的气体和颗粒物水平。但是传感器的种类和用途正在激增。全球空气质量监测系统市场预计将从2021年的50.2亿美元增长到2028年的83.3亿美元《财富》商业洞察．

该公司高级工程总监Uwe Guenther表示:“除了精度外，主要的应用领域还包括功耗、尺寸和成本瑞萨工业自动化事业部。“新的数字化、硅基微型MOx传感器解决了这个问题，可以测量室内和室外的空气质量。”

金属氧化物半导体传感器(也称为MOS或MOx传感器，或SMOx)利用半导体金属氧化物的电学特性来检测气体。它们经常被使用，因为它们很容易用现有的工艺制造，而且材料很容易获得。纳米结构还可以使用氮化镓(GaN)，这是另一种有望用于不同气体传感器的材料，这取决于传感器的配置。这些纳米结构最终可能成本更低，运行所需的电力更少，同时在某些方面比MOX更敏感。

其他例子包括:

• 化学传感器-这些将样品的化学或物理性质转换为数字信号。这些传感器由连接到传感器的化学传感材料组成，可以检测变化和数量。所以化学物质浓度越高，信号就越大。(分析物是被测试物质或化学物质的名称。)
• 光学，红外(IR)点传感器，红外图像传感器，非色散红外(NDIR)，和红外光谱-所有这些都使用红外光谱来确定分析物(气体)的准确吸收波长，这用于识别气体以及浓度。
• 声学传感器—该传感器采用MEMS传声器测量压力。超声波气体探测器可以探测到气体泄漏。
• 光学加声学-这些传感器分散光来识别不同的分子，并确定压力。
• 仿生传感器-这些传感器模拟分析物对人体的影响，导致传感器发生变化。另一个传感器用于解释变化。这可以用来识别一氧化碳，例如，在这种情况下是一种凝胶。

MEMS气体传感器正变得越来越流行，但它们也存在一些问题。TDK气体和环境传感器高级总监Sreeni Rao表示:“目前的MEMS气体传感器产品在参数定义、测试方法、可靠性要求、包装、引脚配置、通信接口等方面都不符合特定或众所周知的标准。”通过领导SEMI的MEMS和小型化气体传感标准工作组，他正在帮助纠正这种情况。SEMI的设备工作组也在研究气体传感标准和其他环境传感器。

新用途
随着设备变得越来越小，空气质量传感器正在与其他传感器结合起来。室内使用有助于保持占用空间的空气质量，同时关闭闲置空间的HVAC系统。

图1:室内空气质量等级。来源:瑞萨/德国环境局．

瑞萨的Guenther说:“我们主要致力于解决方案，让客户意识到他或她所处环境的空气质量，并相应建议客户(离开房间，不要跑步，打开窗户)，或者使用HVAC、空气净化器、通风系统和窗户等数据执行器进行控制。”“我们的低功耗、小型化数字传感器的一个具体应用实例是可穿戴设备，可以检测EPA定义的有害气体，特别是O_3.也没有_x．我们的传感器根据美国环保署的标准进行校准，并对不断变化的汽车排放和成型气体的空气质量提供反馈。”

安装在建筑物上和建筑物内的气体传感器网络现在连接到互联网，并作为电视天气报告的一部分用于空气质量报告，使用的数据来自紫空气(Purple air)等组织。

气体传感器也有助于保护雨林。“你有一个智能家居，你有一个智能城市，这有点像一个智能丛林，”Rob Conant说，软件和生态系统的IoT软件技术副总裁英飞凌科技．英飞凌与一家雨林保护非营利组织合作，帮助改进其检测技术。“他们将这些计算产品用于设备，这是一堆不同的组件，包括麦克风、气体传感器，并将其放在带有太阳能电池板的设备上。他们把这些装置安装在几百英尺高的雨林树上。所以你们是有联系的，它就在热带雨林里。他们指出多少英里，然后把数据传回互联网。”

甚至医疗部门也在关注气体传感器。TDK的Rao说:“在一个人的呼吸中，高浓度的丙酮(一种叫做丙酮的气体)是糖尿病的明显标志。”“有很多仪器实际上利用了这一事实，只是不像刺破你的手指那样光学，得到糖尿病读数或血糖读数。这是整个呼吸传感器的另一个角度是我们的气体传感器。这也是极其重要的。我们呼出的气体具有极高的医疗价值。”

博世开发了一种新型气体传感器，其中包括人工智能BME 688，可检测挥发性有机化合物(VOCs)、挥发性硫化合物(VSCs)以及一氧化碳和氢气等气体，浓度在十亿分之一(ppb)范围内。它使用人工智能软件GUI来帮助用户训练人工智能。VOCs的检测在半导体晶圆厂以及其他工业设施中非常重要，有助于控制可燃气体的水平。

安全
传感器可能会被欺骗，如果不正确的数据可能导致错误，可能会伤害到某人，这就会产生问题。在一个由许多传感器组成的网络中，一个空气传感器出现故障，要么意味着某个位置的污染物浓度很高，要么意味着传感器有故障。但在封闭的环境中，传感器数据会告知何时混合哪种化学物质或气体，这是潜在的危险。

例如，考虑一个水传感器。黑客可以攻击测量水质的传感器，并影响添加到供水中的化学物质水平。“如果发生了什么事，所有监测pH值的传感器仍然在中性水平附近，人们开始添加化学物质，因为传感器被欺骗了，这真的是非常可怕的事情，”Intrinsic ID的产品营销总监文森特·范德·利斯特说。“不幸的是，这不是我编的。”

但物理篡改是更可能的攻击途径。“这些物联网和边缘设备最大的问题是它们对公众的可访问性，”特朗普公司工程副总裁米切尔·Mlinar说Cycuity．

结论

低成本传感器的一大好处是它们能够进行本地化测量，让人们更好地意识到周围环境及其对健康的影响。挑战将是确保测量是准确的，这样它们就不会产生不必要的恐慌，并且在整个预期的生命周期中是足够安全可靠的。

瑞萨公司的冈瑟说:“世界各地的人们对他们所生活的环境更加敏感，这主要是由于我们周围的空气污染越来越严重。”“Covid大流行加速了这种意识。这种更高的灵敏度将通过快速增长的传感器系统得到解决，使用户意识到他们的环境空气质量。”

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