微型智能半導體氣體傳感器應用空間可行性分析

王 蘭，陳存廣，王玉江，李麗鵬，王 鐵

（1.哈爾濱中科盈江科技有限公司，哈爾濱 150028；2.中國科學院長春應用化學研究所，長春 130000；3.哈爾濱中慶燃氣有限責任公司，哈爾濱 150000）

社會經濟的發展，造成環境資源需求的提升，大量資源的耗損，必然會對環境產生一定的影響。近幾年，物聯網產業呈現出迅速發展的勢頭，物聯網具有資源消耗少、環境影響小等特點。物聯網的核心和基礎是傳感器。傳統的氣體傳感器由于功耗高、體積大、響應慢、穩定性差及缺乏智能化功能，已經越來越不能夠滿足物聯網發展的要求[1]。隨著半導體產業技術的進步，電子信息及智能設備對小體積、低功耗、高集成度及性能優異的半導體器件的需求越來越大。微型智能半導體氣體傳感器由于其尺寸小、成本低、價格低廉、功耗低、靈敏度高和響應速度快等優點[2-3]，既可對石油化工、金屬冶煉和煤炭等生產或運輸中產生的危險氣體進行監測[4-5]，也可應用于交通、畜牧養殖及環境監測等領域中，應用空間大，市場前景好。

1 在石油化工領域的應用空間

石油化工是我國的基礎性產業，在國民經濟中占有重要的地位。其以石油和天然氣為原料，給人類提供各種生活產品，與人們的生活密切相關。僅2021年一年，我國石油進口量高達1.968億t。我國的原油（未被加工的石油）產量為19 898萬t。原油及其制品在開采、煉制、運輸和使用的過程中，會產生對環境有嚴重污染的物質。在開采中產生的空氣污染物主要有2種：一是鉆井產生的廢氣，主要污染物是二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）和烴類。二是采油站廢氣，主要污染物是二氧化氮（NO2）、二氧化碳（CO2）和未燃盡的烴類。在煉制過程中，會排放大量的污水、廢氣和廢渣。污水可以采用深度水處理，廢渣可以回收利用，而廢氣需要先處理再排放，廢氣主要有一氧化碳（CO）、氯化氫、氮氧化物和SO2等，國家對每一種有毒有害廢氣的排放量都有一定的排放標準。原油在運輸中泄漏，不僅會對水和土壤造成污染，排放到大氣中的烴類氣體還會對空氣造成污染。眾所周知，碳、氫、氧、氮、硫及一些微量金屬元素如鎳、釩、鐵等是組成石油的主要化學元素[6]，而在一定條件下，這些元素會相互結合，形成硫化氫（H2S）、SO2、CO或各種具有揮發性的苯、醛和酮類等有毒有害的物質，因此都需要配備相關氣體的檢測設備進行監測，防止污染和中毒事件的發生。國家統計局發布的數據表明，2021年，中國天然氣產量、消費量和進口量都較以往有所增長。隨著對天然氣的不斷開發，天然氣“全國一張網”骨架已初步形成，主干管網已覆蓋除西藏外全部省份，京津冀及周邊、中南部地區天然氣供應能力進一步提升[7]，對可燃氣體檢測設備的需求也大大增加。天然氣的主要成分是烷烴，烷烴中含量最多的成分是甲烷（CH4）。CH4是一種可燃性氣體，通常情況下比較穩定，但與空氣混合至體積分數為4.9%～16%時，遇火就會爆炸。我國天然氣用戶數量龐大，天然氣爆炸事件時有發生，因此，配備相應的氣體傳感器勢在必行。目前，石油化工領域應用最多的是紅外和電化學氣體傳感器，紅外氣體傳感器平均1臺的價格在2 000元左右，電化學氣體傳感器平均1臺的價格在700元左右，按年市場需求量約20萬臺計算，若使用平均1臺的價格在300元左右的微型智能半導體氣體傳感器，每年可節省8 000～34 000萬元。由此可見，微型智能半導體氣體傳感器在石油化工領域的應用前景廣闊。

2 在金屬冶煉領域的應用空間

目前世界上有約86種金屬，通常分成2大類：黑色金屬和有色金屬。黑色金屬有鐵、錳和鉻3種，除了鐵、錳和鉻以外的其他金屬，都是有色金屬。隨著我國經濟的快速發展，對金屬的需求量越來越大，金屬冶煉企業數不勝數，但在金屬冶煉過程中產生的廢氣數量也日益增加，環境污染問題也日益嚴重。我國是全球第一大鋼鐵生產國[8]，鋼鐵在冶煉過程中就會產生氮氧化物、SO2和CO等有毒氣體，一旦這些氣體在排放過程中泄漏或超標，或操作和檢修人員對氣體危害認識不足、防范不力，就會造成中毒事故。因此，在鋼鐵冶煉企業安裝常用的氣體檢測設備是非常必要的。在國家工業生產領域，有色金屬特別是貴金屬有著極高的應用價值。但是金屬礦石在冶煉過程中會伴有大量的廢氣產生，這些廢氣有著高污染性。據中國有色金屬工業協會統計，2020年，有色金屬工業CO2的總排放量高約6.6億t，有色金屬冶煉行業已成為了我國對CO2氣體控制排放的重點行業之一。為了確保貴金屬資源持續健康的發展，國家對金屬冶煉行業提出了一系列的環保政策規范，社會各界也開始高度關注環境污染，環境污染也得到了相關企業的重視。由于金屬冶煉產生的氣體主要是CO2、硫化物、氮氧化物和CO等，所以常用的氣體傳感器也主要是以檢測其相對應氣體的氣體傳感器。這些傳感器不僅可以檢測廢氣的排放濃度，也可以檢測工業場所是否有氣體泄漏，對安全生產提供了有力保障。目前，金屬冶煉領域常用的氣體傳感器是固定式的紅外或電化學氣體傳感器，由于在金屬冶煉的過程中會伴隨大量的廢渣、廢水及油煙，固定式的紅外或電化學氣體傳感器表面很容易受到污染，影響檢測精度。微型智能半導體氣體傳感器體積小，便于攜帶，可檢測后帶離檢測區域，方便快捷。我國當前金屬冶煉企業超過5 000家，按平均1家10臺計算，對氣體傳感器的需求量約為5萬臺。使用微型智能半導體氣體傳感器每年可節省2 000～8 500萬元。由此可見，在金屬冶煉領域，微型智能半導體氣體傳感器的市場空間巨大。

3 在煤炭領域的應用空間

我國是以煤為主的能源生產消費結構，煤炭是我國主體能源，在我國一次性能源生產和消費中均占70%左右。煤炭在開采中，會產生大量CH4，當CH4和空氣的體積分數比為5%～15%，遇火易發生爆炸。煤炭在加工利用過程中，會產生致癌、致畸變的多環芳烴類化合物苯并芘等。85%的煤炭是直接燃燒的，煤炭在燃燒中會排放大量的CO2、SO2、氮氧化物和有機氯化物。CO2、SO2和氮氧化物等氣體的大量排放，會破壞臭氧層，危害人類生存。尤其是SO2已多次在我國多地區形成酸雨，導致土壤酸化、農作物減產及機械設施被腐蝕。有機氯化物的毒性與多環芳烴相差無幾，已被列為全球性主要污染物之一。如果煤炭燃燒不充分，會生成CO，尤其是在使用煤做飯取暖的地區，煤氣中毒事件時有發生，CO可與人體血液中的血紅蛋白結合，輕度CO中毒有頭痛、胸悶、惡心嘔吐和全身乏力等癥狀；中度CO中毒有意識模糊、雙腿麻木，甚至昏迷的癥狀；重度CO中毒會引發休克、腦水腫、心跳不規律，甚至死亡。若安裝氣體檢測設備，一旦檢測到氣體超標，設備會發出蜂鳴聲報警，會減少不必要的傷亡。近期內，煤炭在我國能源中的地位和作用不會改變[9]。煤炭是非可再生能源，煤炭產業是否能有序健康的發展，直接影響到工農業生產和社會大局的穩定。雖然我國是世界最大煤礦安全儀器裝備國，但目前我國重點煤礦的安全問題仍然嚴峻，在煤礦開采過程中，為保證礦井的安全，每年氣體檢測設備的總需求量達100多萬臺。目前，煤炭領域使用最多的是催化燃燒氣體傳感器和電化學傳感器，催化燃燒氣體傳感器需要在有氧環境且氣體具有可燃性才可以使用，如不可以檢測CO2，有一定局限性。電化學傳感器的電解液多數是液體形態，高溫或高濕下電解液揮發或水解，導致電化學傳感器使用壽命短。微型智能半導體氣體傳感器不僅可以有效地檢測CH4、SO2、CO2和CO等氣體，而且生產成本低，不僅適用于工業，也適用于民用氣體檢測的需求。由此可見，在煤炭領域，微型智能半導體氣體傳感器市場空間巨大。

4 在交通領域的應用空間

20世紀90年代前，城市大氣的主要污染源來自工業排放，但在90年代后，隨著機動車數量的快速增長，交通污染逐漸取代了工業排放污染，已成為城市乃至全球大氣環境主要污染源之一。汽車尾氣的主要污染氣體是CO、碳氫化合物和氮氧化物等。其中，CO會對人造成缺氧性傷害，危害中樞神經系統。氮氧化物指含氮元素和氧元素的化合物，其中的一氧化氮（NO）和NO2，是對人呼吸系統有害的氣體，會引起人中樞神經閉塞或肺功能減弱。碳氫化合物中含有致癌的多環芳烴，其和氮氧化合物在紫外線作用下，會產生一種光化學煙霧，刺激眼睛和上呼吸道粘膜。并且在一定條件下，CO、氮氧化物和碳氫化合物會發生光化學反應，轉化成對人體有危害的醛類、酮類等其他物質。汽車尾氣中含有SO2，當SO2溶于水后，會形成亞硫酸，導致酸雨的發生。據公安部統計，2021年全國機動車保有量達3.95億輛，其中汽車3.02億輛；機動車駕駛人達4.81億人，其中汽車駕駛人4.44億人。中國汽車工業協會的統計數據顯示，中高檔汽車產銷量占總量的20%，即中高檔汽車有6千萬輛。目前，發動機氣體濃度傳感器、氧氣傳感器、尾氣監控傳感器和汽車內空氣質量監控傳感器等正在逐漸被導入中高檔汽車。按1輛汽車上裝配4只氣體傳感器來計算，中高檔汽車對氣體傳感器的總需求量約為2.4億只。汽車尾氣會污染大氣，但酒后駕駛會危及生命。隨著機動車及酒后駕駛人員數量的增加，酒駕造成的交通事故頻繁發生，給人民的生命和財產造成了重大損失。國家針對酒駕也出臺了相關的規定和政策，制定了相應的處罰標準。判斷酒駕最簡單快捷的方法就是使用酒精氣體傳感器對駕駛人員呼出的氣體中酒精含量進行檢測。酒精氣體傳感器正在各交警隊普及推廣。目前，交通領域應用最多的是電化學氣體傳感器，電化學氣體傳感器使用壽命短，價格也高于微型智能半導體氣體傳感器，因此，在交通領域，微型智能半導體氣體傳感器市場空間巨大。

5 在畜牧養殖領域的應用空間

改革開放以來，畜牧養殖業飛速發展，已成為了農民脫貧致富的重要途徑和經濟來源。但畜牧養殖業在帶來經濟效益的同時，也造成了嚴重的環境污染。眾所周知，CO2會引起溫室效應，而動物簡單的呼吸就會產生大量的CO2，動物飼料的生產加工及動物產品在冷凍、處理和運輸過程中使用的化石燃料也會產生CO2，地球上每年養殖的禽畜動物有400~500億，畜牧養殖業的排放量已超過了交通運輸業的CO2排放量；除了CO2會引起溫室效應，化肥及動物糞便分解釋放的CH4也會引起溫室效應，以20年來計算，CH4引起的溫室效應比CO2強72倍。畜牧養殖中，一些大型畜牧養殖機構會對動物的排泄物進行集中處理，但一些散戶直接將排泄物排入環境中。排泄物發酵后會生成大量的氨氣（NH3）、H2S和糞臭素等有毒的氣體，這些氣體不但會污染周圍的環境，還會誘發動物自身產生疾病，甚至會引起養殖場員工及周邊居民咳嗽、氣管炎等呼吸道疾病。在畜牧養殖過程中，要優化畜牧養殖的環境，提高畜牧養殖水平。畜牧養殖環境包括兩方面，一是周圍環境是否對畜牧養殖場產生污染，二是畜牧養殖場自身產生的污染是否影響環境。無論從哪個方面考慮，在畜牧養殖場所安裝氣體傳感器，對空氣進行實時監測是很必要的。水產養殖的模式主要是圍網養殖和網箱養殖。養殖的質量主要受水的含氧量、含氨量和水溫等方面的影響。水溫容易測得，而含氧量和含氨量需要氣體傳感器的檢測才能獲得。畜牧養殖對環境造成的污染問題，一直是國家環境治理的重點。通過智能化禽畜養殖管理，采集養殖的環境參數，根據采集數據去控制相應設備，使養殖環境達到最佳狀態，提升養殖水平。通過減少飼料攝入量、全密閉處理糞水、除臭固氮和減少碳排放等相關技術及措施，達到國家環保目標。目前，畜牧養殖領域應用最多的是電化學氣體傳感器，而電化學氣體傳感器長期暴露在高濃度的氣體中，受發生催化劑中毒，發生誤報警或不報警現象，并且在高濕環境下受到的影響較大，微型智能半導體氣體傳感器恢復快，受濕度影響較小。近年來，國家對畜牧養殖業出臺了一系列優惠補貼政策，極大地調動了養殖戶的積極性，畜牧養殖業的蓬勃發展給微型智能半導體氣體傳感器提供了巨大的市場空間。

6 在環境監測領域的應用空間

我國頒布了GB3095—2012《環境空氣質量標準》，規定了環境空氣污染物的基本項目，項目內容見表1，通過對不同區域進行環境監測，不僅可以了解該區域環境污染的程度，還可以針對污染程度采取有效的管理措施。

表1 我國環境空氣污染項目指標

隨著人們環保意識的加強和社會對環境質量問題的高度重視，對環境進行監測勢在必行。對于地下車庫、冷庫和地下商場等一些封閉或半封閉的室內空氣的質量越來越受到關注。地下車庫若通風換氣不好，汽車尾氣排放的CO、氮氧化物等聚集到一定濃度就會對人體產生危害。冷庫的大型制冷設備多用液氨，一座冷庫液氨儲量為5 t左右。液氨無色、有毒且易揮發。揮發后形成NH3，當NH3在空氣的體積分數為16%～25%，遇明火爆炸。高濃度的NH3可引起呼吸道疾病。地下商場中的CO2、CO和甲醛（HCHO）等氣體都會對人體造成危害。針對不同空間的不同氣體，可采用相應的氣體傳感器進行實時監測和報警，有效避免氣體濃度超標造成的危害。2021年，我國冷庫容量已超過7 000萬t。1座冷庫安裝2只傳感器，共需傳感器約2 800萬只；地下車庫和地下商場數量龐大。環境污染的主要原因是大氣污染，大氣污染一是自然發展過程中產生的有害氣體，二是人為活動造成的污染，其中，人為活動造成的污染是大氣污染的主要來源，如工業廢氣、汽車尾氣、秸稈焚燒和煤炭取暖等都會產生有毒有害氣體。隨著環境保護法律法規的不斷健全與完善，越來越多的氣體傳感器被用于環境監測領域，2013年，中國環境保護部就頒布了《環境空氣質量監測點位布設技術規范》，其中明確規定了建成區城市人口和建成區面積及最少監測點數的關系，見表2。

表2 建成區城市人口和建成區面積及最少監測點數的關系

按環保要求，需要監測的氣體主要有CO、SO2、NO2和O34種，我國共有663個設市城市，平均每個城市安裝50個監測點，1個監測點需要傳感器至少4種，需要的氣體傳感器數量大于13萬只。目前，環境監測領域應用最多的是催化燃燒氣體傳感器和電化學氣體傳感器，催化燃燒氣體傳感器功耗大，氧濃度低的環境下監測誤差大，電化學氣體傳感器受環境濕度和溫度影響較大。微型智能半導體氣體傳感器不僅功耗低、受環境濕度影響小，而且價格低，僅按13萬只傳感器計算，可為國家節省約5 000萬元。由此可見，在環境監測領域，微型智能半導體氣體傳感器的市場空間也很大。

7 結束語

常見的氣體檢測設備按工作原理分有4種：紅外氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器和半導體氣體傳感器。紅外氣體傳感器的缺點是體積大，價格高；電化學氣體傳感器的主要缺點是受溫濕度影響較大、使用壽命短；催化燃燒氣體傳感器的主要缺點是工作溫度高、功耗大；半導體氣體傳感器價格低、體積小、功耗低、使用壽命長且受濕度影響小。并且做到了微型化、智能化。當前氣體傳感器在我國相關行業和領域中的年市場容量驚人。低成本、低功耗、低檢測限及智能化的微型智能半導體氣體傳感具有廣泛的應用空間。