便攜式氣體檢測設備現狀及發展

譚暢舒 李艷 杜進橋 陳星霖 張振杰 李秋桐 張順平 郭新＊

1. 深圳供電局有限公司，廣東深圳 518005；

2. 華中科技大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430074

0 前言

伴隨著新一輪產業升級和技術革命的興起，人類社會正行走在技術設備不斷迭代、生活方式不斷改變、新興需求不斷催生的快車道上。在“萬物互聯”的大背景下，便攜式智能設備逐漸成為了用戶的個人數據中心和信息節點。大量涌現的便攜式智能設備每天都在生產著海量的信息，這些信息每分每秒通過發達的4G、5G高速信息網絡服務我們的生活，惠及經濟發展，而多種多樣的傳感器作為電子設備生產信息最重要的途徑[1]，也成為信息技術領域不可或缺的一環。電子設備所集成的傳感器是多種多樣的，以智能手機為例[2-3]，重力傳感器、位移傳感器、視覺傳感器、溫度傳感器和聽覺傳感器等的集成令其具備了強大的功能，進而賦予了智能手機在通訊、娛樂、個人健康管理、公共安全、環境檢測，甚至是食品檢測方面的重要能力[4]。

相比傳統概念中人的五感——形、聲、聞、味、觸[5]，手機所能模仿的人類感官已經包括視覺（攝像頭）、觸覺（觸摸屏）、聽覺（話筒與語音識別）等，唯獨缺乏對氣味識別分析的“聞”與“味”[6]，這成為便攜式電子設備功能上的一大缺失。然而，人們不斷上升的環保意識和對生活品質的追求推動著便攜式電子設備新功能的拓展，為便攜式電子設備賦予氣味識別功能自然成為重點突破對象。具有氣體和氣味識別功能的便攜式電子設備具有廣泛的潛在應用場景，例如：大氣質量監測[7]、家居環境空氣質量分析[8]；通過呼吸氣體組分檢測進行疾病早期預警[9]；VR氣味模擬和為嗅覺障礙患者提供嗅覺輔助等。考慮到便攜式電子設備局促的空間、有限的電池容量和較高的人機交互、信息傳輸需求，人們迫切需要一種小型、高集成度、低能耗且安全的氣體檢測設備[10]。本文綜述了人們在氣體檢測設備的小型化、集成化和信息化方面所進行的努力，梳理了近年來的研究進展，以期為相關研究提供新的啟發與思路。

1 氣體檢測設備的便攜化進程

人們已經開發出了多種氣體和氣味檢測手段，包括基于各種檢測原理和敏感材料的氣相色譜（Gas Chromatography，GC）、電子鼻等。

1.1 氣相色譜

自1952年被發明以來[11]，氣相色譜（GC）就成為了一種重要的氣體檢測手段，這種檢測方法最大的優勢在于檢測精度高、物質識別率高，能夠對復雜組分樣品進行定量分析[12]。得益于這種特性，GC成為了食品檢測[12-13]、環境氣體分析等領域的重要設備。例如，在LIU J等人[13]對雞肉烹飪風味的研究中，GC與電子鼻聯用可以對約40種化合物進行定量分析，雞胸肉烹飪中鮮味、苦味形成的化學機理與反應機理也因此得以進一步揭示。然而，傳統GC設備過大的體積、重量和過于嚴格的使用條件將其應用場所限制在了實驗室[14]。為了進一步滿足便攜性的要求，人們在盡可能保留氣相色譜性能優勢的同時，對其作了諸多小型化嘗試。GARG A等人[15]設計并制造了如圖1（a）所示的微型GC——Zebra GC，該設備整體重量約1.8 kg，體積為30 cm×15 cm×10 cm。WANG J等人[16]設計了如圖1（b）所示的腰掛式GC——PEMM-2，進一步縮小了尺寸，體積為20 cm×15 cm×9 cm，重量約2.1 kg（包括電池）。上述設備檢測精度較為接近，針對有機揮發性氣體（Volatile Organic Compounds，VOCs）的檢測精度均達到10-9（part per billion, ppb）級。為了滿足便攜式氣體分析設備的需求，一些生產商也推出了自己的微型GC產品[19]，解決了部分研究型工作需要現場采樣并分析氣體成分的難題，如Agilent推出的490/990型便攜色譜儀（圖1（c））[17-18]和pine推出的Frog 4000（圖1（d））[21]。

然而，受限于自身的檢測原理、采樣方式和成本等因素，微型GC仍然存在許多難以克服的缺陷：

（1）安全性欠缺：一些配備氫火焰離子化檢測器[20]的GC設備需要氫氣源和高溫檢測條件，對檢測的安全性提出了挑戰；

（2）小型化困難：系統復雜性限制了小型化潛力，整體可集成性較差；

（3）信息化不足：許多GC設備依賴連接計算機進行人機交互；

（4）采樣復雜：大部分設備均需要使用專用采樣管人工采樣、進樣，難以滿足即時測試的要求；

（5）使用成本高：GC設備的采購，乃至使用、維護都需要付出較高的經濟或學習成本，對使用者自身素質也提出了較高要求。

上述缺陷將GC的應用限制在研究型工作領域，GC設備的集成也是相對比較困難。表1列舉了近期GC設備的小型化工作。

表 1 GC小型化工作及產品匯總

1.2 電子鼻

19世紀后，隨著人類工業進程的加速，對危險氣體檢測的需求也進一步提升[24]。工廠、礦井等危險場所往往需要布設大量不需要長期培訓和精密維護就能夠正常使用的氣體檢測設備[25]，因此，人們開始了電子鼻的設計研究。作為一種模仿人類嗅覺，能夠識別單一氣體或多種氣體混合物，并輸出氣體“指紋”信息的測量設備，電子鼻不僅能識別氣味，還進一步拓展了檢測范圍，也能夠對無色無味的有害氣體進行檢測[26-28]。電子鼻的核心是氣體傳感器，通過安裝特定的氣體傳感器，配合后端數據處理系統，電子鼻識別不同類型的組分，而不同類型的氣體傳感器則會賦予電子鼻不同的功能用以對應不同的需求。目前，用于電子鼻且最具有代表性的氣體傳感器是日本費加羅公司的TGS系列[29]、瑞士盛思銳公司的SFA、SGP系列[30]等。

電子鼻的雛形早在1815年就已出現[31]，人類開始使用安全礦燈代替小動物（如金絲雀）用于礦井空氣安全指示，如圖2（a）所示。在隨后的20世紀，礦井和油田的可燃氣體檢測一直是牽引早期電子鼻研究的重要需求來源[34]。20世紀末，隨著日本液化氣普及帶來的煤氣事故數量增加，家用液化氣泄露預警為電子鼻提供了新的應用場景。面對礦井、工廠、廚房等缺少專業維護且無法承擔高額檢測費用的場所，人們設計了基于催化燃燒[35]、金屬氧化物半導體[36]等檢測原理的“傻瓜式”燃氣報警器，其基本原理和器件構型一直沿用至今。

進入21世紀后，隨著技術的發展和潛在應用場景的飛速增加，大量電子鼻和氣體傳感器相關的應用及實驗室產品應運而生，便攜、智能和多用途逐漸代替廉價、簡單，成為了電子鼻研發的主要方向。LIU H等人[32]設計了一種基于TGS傳感器陣列的電子鼻，對不同品牌、年份和工藝方法的葡萄酒進行檢測，如圖2（b）所示。6個TGS傳感器和數據采集裝置都被集成在一塊5 cm×5 cm的PCB板上，附帶氣路、電源與數據處理模塊的整體尺寸約20 cm×20 cm，需要連接計算機使用。TIAN F C等人[33]設計了一款不需要外接計算機的電子鼻，以8個商用氣體傳感器組成氣體傳感模塊，成功實現了車內有害氣體的檢測，其外觀如圖2（c）所示。該電子鼻尺寸約20 cm×20 cm，能夠滿足車內狹小空間的長期測試要求。目前的電子鼻一定程度上實現了便攜，且配合算法與傳感器陣列[37]，多用途能力已經大幅度增強，實現了混合組分檢測和機器學習功能。表2匯總了近期電子鼻相關研究。

表 2 電子鼻研究和產品匯總

然而，目前電子鼻的尺寸、能耗和可集成性等參數依然不能滿足人們為手機等便攜式電子設備賦予氣體檢測功能的目標，特別是傳感器陣列的構建依然需要占據相當的空間。在電子鼻領域，集成有關的技術難題依然存在：

（1）封裝不緊湊[42]：如圖2（d）所示，以TGS 2600型的TO5封裝為例，這種封裝相比其他形式的封裝（TGS 8100）會造成大量空間浪費；

（2）工作溫度高[43]：許多氣體傳感器需要在高溫下（150～500 ℃）工作，這不僅會影響集成電路系統中電子元器件的正常工作，也會提高電子設備的能耗，降低電池的續航能力，對便攜設備極為不利；

（3）信號類型不匹配：目前，多數氣體傳感器都直接輸出模擬信號，需要由專門的模塊將其轉為數字信號才能與電子設備相匹配。

2 便攜式氣體檢測設備的發展趨勢

近十年來，便攜式電子設備呈現出跨越式發展。人們希望將氣體檢測設備集成于手機、手表等電子設備上，針對生活環境和人自身呼出氣體進行檢測。目前，蘋果等公司都已經針對此類技術進行布局，申請了一些相關專利。由于便攜式電子設備內部空間狹小，電量有限，提高集成度和降低能耗已經成為當下最需要攻克的技術難點。為此，氣體傳感器在未來需要克服以下幾個難點。

2.1 降低工作溫度

目前常用的氣體傳感器幾乎都面臨集成困難的問題，最大技術難點之一就是工作溫度高。市面上的主流產品工作溫度幾乎都在150～500 ℃左右，這樣的工作溫度不僅會影響集成電路系統中電子元器件的正常工作，也會提高電子設備的能耗，降低電池的續航能力，這對依靠電池供電的便攜式電子設備來說是無法接受的。此外，在鋰電池附近集成高溫元器件的做法也會造成潛在的電池爆燃風險。為應對這一難題，人們提出了多種解決路徑，例如：利用光能代替熱激發傳感器，降低傳感器工作溫度，運用其他檢測原理回避高溫工作環境。LIU Y等人[44]報道了一種使用可見光激發的WO3/CuWO4基室溫氣體傳感器，成功實現了對數十ppb濃度NO2的檢測。WANG S等人[45]通過制備Au修飾的SnO2厚膜，成功將傳感器工作溫度降低到83 ℃，對熱激發氣體傳感器低溫工作有一定的借鑒意義。總體而言，若想成功解決氣體傳感器的集成難題，人們還需要在低溫、低能耗器件的設計制備方面進行更多研究，探索更加成熟、穩定的器件結構和工藝方法。

2.2 改善制備工藝

隨著微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）和納機電系統（Nano-Electro-Mechanical System，NEMS）工藝的出現和成熟，氣體傳感器得以進一步小型化，在減小體積的同時也能夠降低能耗。MIN Y等人[46]在2003年就開發出基于MEMS工藝的氣體傳感器，如圖3（a）所示，硅基底上集成的2×2 ZnO基氣體傳感器陣列整體尺寸只有3 m×3 mm，并能夠實現對多種氣體的檢測。商業化產品中亦有MEMS器件出現，最具代表性的是盛思銳公司，其全系列產品幾乎都為MEMS器件。

2.3 開發柔性器件

具有柔性的檢測設備能夠更好地貼合人體，集成在如智能手表、手環、眼鏡等異形器件上，進而提升氣體檢測針對特定人群和職業的專業化、定制化服務能力。人們通常使用聚合物、水凝膠等柔性基底實現此項能力。WANG X等人[47]報道了一種使用透明聚酰亞胺基底的In2O3基室溫氣體傳感器，器件示意圖如圖3（b）所示，在手機屏幕光的激發下，能實現對ppb級氣體濃度的響應。

2.4 加強智能化、信息化能力

將氣體檢測設備與算法合理搭配能夠顯著提升其氣味識別和氣體識別能力。CASEY J G等人[48]利用人工神經網絡對石油天然氣工業常用的氣體傳感器進行了現場校準，并分析了不同算法下校準結果的差異。使用算法對氣體傳感器數據進行優化和識別，能夠一定程度上改善氣體傳感器選擇性不佳和長期測試中的零點漂移問題。氣體檢測設備的信息化能力建構也是人們關心的問題之一。SONG Z等人[37]設計并制備了一種基于納米結構的集成式自供電家用氣體傳感器系統，如圖3（c）所示，該系統在使用納米結構實現了極低濃度（ppb級）有害氣體檢測的同時，使用光能電池配合室內光照為4×4室溫氣體傳感器陣列供能，并利用藍牙將檢測結果發送至手機App端，首次同時實現了氣體傳感器系統的自供電和信息化。

3 總結與展望

便攜式氣體檢測設備經過一個世紀的發展，已經由實驗室精密分析轉向家庭商業應用，由大型設備向小型化轉變，由單一功能向多用途進化。目前，便攜式氣體檢測設備已經基本解決了器件的安全性、成本控制、可靠性和大規模生產問題，人們得以進一步考慮其在信息化產業中所能擔負的更多功能。便攜式氣體檢測設備已經初步實現了便攜化和智能化的設想，但仍然在能耗控制、器件集成和工作溫度降低等方面存在一定的問題。在可見的未來，通過替換激發能量源、改進制備工藝，新一代氣體檢測設備將更好地與算法相配合，完成復雜環境下的氣體檢測和氣味識別，助力信息時代中滿足人們更高質量生活的美好愿望。