MEMS氣體傳感器全解析：分類、應(yīng)用及行業(yè)巨頭

氣體傳感器按待檢氣體分為：

• 用于檢測(cè)易燃易爆氣體的傳感器，如氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發(fā)氣等；

• 用于檢測(cè)有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；

• 用于檢測(cè)工業(yè)過程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳；

• 用于檢測(cè)大氣污染的傳感器，如形成酸雨的NOx、CH?、O?，家庭污染如甲醛等。

按檢測(cè)原理氣體傳感器可分為電化學(xué)式、半導(dǎo)體式、光學(xué)式、化學(xué)式等。

圖1-氣壓傳感器示意

• 電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)氣體傳感器本身就是一個(gè)電池，叫氣體燃料電池。準(zhǔn)確度高、無需電源是其主要優(yōu)點(diǎn)，但電解液不易封裝易泄漏、無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化制造，目前主要應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域以及道路交通安全檢測(cè)領(lǐng)域。電化學(xué)氣體傳感器的未來，在于電解液室溫固態(tài)化并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)MEMS化，能夠克服包括制造在內(nèi)的大部分問題，并且此時(shí)的電化學(xué)傳感器將是高度一體化的，易集成的、小巧的電子系統(tǒng)。

• 半導(dǎo)體氣體傳感器

半導(dǎo)體氣體傳感器可分為電阻型和非電阻型。電阻型氣體傳感器具有成本低廉、制造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；不足之處是必須工作于高溫下，對(duì)氣體的選擇性較差，元件參數(shù)分散，穩(wěn)定性不夠理想，功率要求高，當(dāng)探測(cè)氣體中混有硫化物時(shí)容易中毒。非電阻型氣體傳感器也是一類較為常見的半導(dǎo)體氣敏器件，這類器件使用方便，無須設(shè)置工作溫度，易于集成化，得到了廣泛應(yīng)用，主要有結(jié)型和MOSFET型兩種。

• 紅外氣體傳感器

由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)是除了相同原子組成的氣體，所有氣體均可測(cè)；全量程。缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、制造成本高、價(jià)格昂貴；粉塵、背景輻射等對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響明顯。目前的實(shí)際應(yīng)用中以二氧化碳產(chǎn)品應(yīng)用居多、范圍更廣，主要應(yīng)用在暖通空調(diào)與室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控、工業(yè)過程及安全防護(hù)監(jiān)控、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。

• 集成氣體傳感器

氣體傳感器的另一個(gè)發(fā)展方向是與其他傳感器綜合集成。2017年博世將溫度、濕度和氣壓三種傳感功能集成于一顆MEMS芯片，并采用了一種新型的濕度傳感技術(shù)；氣體傳感功能采用另一顆MEMS芯片實(shí)現(xiàn)。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，可使用更小的氣體傳感器檢測(cè)各種氣體，包括揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。

2024年全球氣體傳感器市場(chǎng)規(guī)模大概為42.5億美元，預(yù)計(jì)到2033年將達(dá)到90.1億美元，2024年至2033年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為8.7%。

而在中國(guó)，這一市場(chǎng)的增長(zhǎng)更為顯著。據(jù)MMG報(bào)告指出，2024年中國(guó)氣體傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)15.3億美元，并預(yù)計(jì)至2029年將激增至25.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率保持高位。

其中，智能移動(dòng)終端和可穿戴設(shè)備將是未來氣體傳感器的殺手級(jí)應(yīng)用環(huán)境，預(yù)計(jì)將帶來需求量的井噴。

表1-氣體傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

全球主要的氣體傳感器企業(yè)包括：

• 英國(guó)City公司

隸屬Honeywell。全球最大傳統(tǒng)電化學(xué)氣體傳感器公司，占傳統(tǒng)電化學(xué)氣體傳感器市場(chǎng)45%份額。該公司以電化學(xué)起家，同時(shí)涉足紅外和催化類氣體傳感器，其產(chǎn)品既包括O?、CO?、NO、NO?等較為常見氣體傳感器，也包括氰化氫，氯氣，聯(lián)氨等工業(yè)用氣的傳感器。城市技術(shù)每年生產(chǎn)超過300萬個(gè)傳感器，產(chǎn)品類別超過200種，產(chǎn)品銷往全球48個(gè)國(guó)家，City生產(chǎn)能夠檢測(cè)多達(dá)28種不同氣體的300多款傳感器產(chǎn)品，其中包括有電化學(xué)式、催化燃燒式、半導(dǎo)體式、紅外線式等。

• 日本Figro公司

全球最大的半導(dǎo)體氣體傳感器公司，占據(jù)半導(dǎo)體氣體傳感器市場(chǎng)55%份額。產(chǎn)品技術(shù)主要有半導(dǎo)體型（MOS）、電化學(xué)以及催化燃燒型氣體傳感器，廣泛用于安保、工業(yè)、汽車、室內(nèi)空氣檢測(cè)、冷暖空調(diào)設(shè)備、家電以及科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域。除傳統(tǒng)技術(shù)外，F(xiàn)igaro還推出了結(jié)合了MEMS技術(shù)的金屬氧化物類型的室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器，是業(yè)界最小面積最低功耗的室內(nèi)空氣傳感器，可用于空調(diào)、空氣凈化機(jī)以及排氣扇等設(shè)備。其主要產(chǎn)品包括溶解氧傳感器、一氧化碳傳感器、催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器、氧氣傳感器等。

• 瑞士Membrapor公司

主要專注于生產(chǎn)氣體擴(kuò)散電極和電化學(xué)氣體傳感器，市場(chǎng)定位于中高端，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。Membrapor公司成功開發(fā)了基于新理念的獨(dú)特工藝，應(yīng)用于接觸性氣體擴(kuò)散電極和電化學(xué)傳感器的若干新產(chǎn)品的研發(fā)。該公司擁有20多種氣體傳感器產(chǎn)品，產(chǎn)品分為M系列（φ20mm）、C系列（φ 32mm）、S系列（φ 41mm），共上百個(gè)產(chǎn)品型號(hào)。其產(chǎn)品具有高量程和高精度，其中S系列和C系列的高量程可以達(dá)到40000ppm，高精度的傳感器可以達(dá)到10ppb級(jí)別，因此產(chǎn)品滿足很多特殊行業(yè)。Membrapor以其壓倒性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)雄居電化學(xué)傳感世界之首。

• 英國(guó)Alphasense公司

是全球少數(shù)幾家獨(dú)立的專業(yè)生產(chǎn)氣體傳感器廠家之一，主要產(chǎn)品是氧氣、有毒氣體和易燃?xì)怏w傳感器。該公司的傳感器技術(shù)涵蓋了電化學(xué)，催化，光學(xué)（NDIR&PID）和半導(dǎo)體四大種類。其基于電化學(xué)的氧氣和有毒氣體傳感器應(yīng)用廣泛，在煤礦，鋼鐵，石油化工，醫(yī)療等都大量使用。Alphasense公司的A系列（φ 20mm）和D系列（φ 14.5mm）傳感器皆為便攜式氣體檢測(cè)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，B系列（φ 32mm）適合固定位置的有毒氣體檢測(cè)。

• 德國(guó)UST公司

歐洲第二大綜合性傳感器研發(fā)及生產(chǎn)的專業(yè)公司，德國(guó)汽車工業(yè)的芯片供應(yīng)商，提供溫度、氣體、水體及其他環(huán)境測(cè)量領(lǐng)域的傳感器。主要生產(chǎn)汽車用溫度傳感器和氣體傳感器。目前UST的產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛用于汽車制造、醫(yī)療技術(shù)、工業(yè)設(shè)備、能源與環(huán)境領(lǐng)域。在汽車制造領(lǐng)域其產(chǎn)品主要應(yīng)用在大眾，寶馬，歐寶，斯坦尼亞，MAN及德國(guó)產(chǎn)載重汽車。

• 奧地利AMS公司

全球領(lǐng)先的高性能模擬集成電路(IC)設(shè)計(jì)及制造商，氣體傳感器僅為其部分產(chǎn)品。該公司量產(chǎn)針對(duì)VOC檢測(cè)的半導(dǎo)體氣體傳感器，可在320°環(huán)境下工作，功耗達(dá)到34mW及以下。AMS提供世界上最先進(jìn)的晶圓級(jí)光學(xué)元器件和衍射光學(xué)元件，并采用高度微型化的光學(xué)封裝。AMS在奧地利的工廠主要負(fù)責(zé)前端晶圓制造，新加坡工廠負(fù)責(zé)光學(xué)傳感器的生產(chǎn)和封裝以及VCSEL制造，菲律賓負(fù)責(zé)測(cè)試/傳感器校準(zhǔn)。

• 瑞士Sensirion公司

濕度、氣體和液體流量測(cè)量和控制領(lǐng)域高質(zhì)量傳感器和傳感器解決方案的領(lǐng)先制造商，公司總部位于瑞士蘇黎世附近，其傳感器元件應(yīng)用于包括汽車工業(yè)、醫(yī)療技術(shù)、建筑技術(shù)、工業(yè)制造和消費(fèi)產(chǎn)品。Sensirion基于創(chuàng)新的CMOSens技術(shù)，在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上結(jié)合了傳感器和分析電子器件，提高了傳感器質(zhì)量和降低了生成成本。其子公司Sensirion Automotive Solutions專門為汽車行業(yè)設(shè)計(jì)，開發(fā)和制造環(huán)境感應(yīng)器。主要重點(diǎn)是汽車HVAC（加熱、通風(fēng)和空調(diào)）應(yīng)用所適用的環(huán)境感應(yīng)器，利用各種傳感技術(shù)來測(cè)量相對(duì)濕度、溫度、氣體濃度和顆粒物質(zhì)濃度。同時(shí)，Sensirion推出世界上第一款多像素氣體傳感器，尺寸僅為2.45×2.45×0.75mm，可檢測(cè)VOCS、酒精、CO等氣體。

• 鄭州漢威公司

從事氣體傳感器研究、生產(chǎn)，主要業(yè)務(wù)是氣體傳感器、氣體檢測(cè)儀器儀表、氣體檢測(cè)控制系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及自營(yíng)產(chǎn)品出口。其產(chǎn)品用于檢測(cè)、監(jiān)控可燃性氣體、有毒有害氣體和特種氣體。公司產(chǎn)品包括:GA系列氣體報(bào)警器、KB/GD/GE系列可燃?xì)怏w報(bào)警器、BX系列可燃/毒性氣體檢測(cè)儀、JL系列氣體檢漏儀、JL300系列鹵素檢測(cè)儀、AT系列酒精檢測(cè)儀、KB系列氣體報(bào)警控制器、氣體變送器和氣體探測(cè)器等。產(chǎn)品應(yīng)用行業(yè)分布廣泛，涵蓋石油、化工、冶金、電子、燃?xì)?、污水處理、生物科學(xué)、航天航空、軍事反恐等領(lǐng)域，用于防火防爆、預(yù)防中毒、污染監(jiān)測(cè)、環(huán)境治理、改善人居環(huán)境。

• 鄭州煒盛公司

與漢威公司淵源很深，國(guó)內(nèi)氣體傳感器龍頭企業(yè)，也是目前國(guó)內(nèi)少有的能生產(chǎn)半導(dǎo)體類、催化燃燒類、電化學(xué)類和紅外光學(xué)類等四大類氣體傳感器的企業(yè)。該公司產(chǎn)品包括紅外氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、平面半導(dǎo)體氣體傳感器、載體催化元件、半導(dǎo)體氣體傳感器、流量傳感器、熱釋電傳感器、熱傳導(dǎo)氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、熱線型氣體傳感器、壓力傳感器、MEMS傳感器等十二大系列，200多個(gè)品種，共可用于檢測(cè)氣體300余種。檢測(cè)氣體種類覆蓋絕大多數(shù)可燃?xì)怏w（甲烷、丙烷、氫氣等）和多數(shù)毒性氣體（一氧化碳、硫化氫、苯等），應(yīng)用于工業(yè)、礦業(yè)、航空航天、民用、商業(yè)等領(lǐng)域。

• 杭州麥樂克公司

專業(yè)從事中高端紅外特征敏感元件研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是目前國(guó)內(nèi)信噪比和透過率、截止率、敏感度最高的紅外特征敏感元器件和傳感器制造商，在傳感技術(shù)領(lǐng)域擁有70余項(xiàng)核心專利技術(shù)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航天航空、智能家居、消費(fèi)電子、智慧醫(yī)療、環(huán)保、消防安防、礦業(yè)、電力電子、車聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。麥樂克在全球擁有上千家高端客戶，是全球中高端紅外特征敏感元件生產(chǎn)廠家中現(xiàn)貨品種最齊全、性價(jià)比最高的供應(yīng)商，被德國(guó)傳感技術(shù)專業(yè)協(xié)會(huì)（AMA）評(píng)價(jià)為全球最高端的4家紅外探測(cè)敏感元件生產(chǎn)廠家之一。在SENSORCHINA2017上展示全球首款標(biāo)識(shí)5種氣體傳感器（可以同時(shí)檢測(cè)二氧化碳、一氧化碳、甲烷、甲醛和VOC）等一系列產(chǎn)品。