徐偉，楊麗，鐘飛，鄔治平

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氣敏傳感器在智能手表上的應用分析展望

徐偉，楊麗，鐘飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107）

隨著智能手表的普及，智能手表的功能在逐漸增多。人體特征信息的測量也越來越受到關(guān)注，三星、蘋果、華為等品牌的智能手表以心率、血壓的測量功能作為賣點進行宣傳出售。自古以來，中醫(yī)就有“望聞問切”的治病方式，氣味作為某種疾病的表征，也受到了一些氣敏傳感器研究學者的興趣。如果將氣敏傳感器與智能手表結(jié)合，這將會對日常的疾病預判，尤其是一些特殊群體有較大的利處。其中，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)為智能手表搭載氣敏傳感技術(shù)實現(xiàn)其微型化、智能化提供了可能。

智能手表；氣敏傳感器；MEMS；病癥預判

1 氣敏傳感器的背景

氣敏傳感器是指對氣體敏感的傳感器，根據(jù)氣體種類和濃度有關(guān)的信息，將置于環(huán)境中的氣敏傳感器的物質(zhì)屬性變化（比如電阻、電流、電壓等）轉(zhuǎn)換成電信號，這些電信號的強弱就表征了待測環(huán)境中氣體的種類和濃度信息。

1931年，有學者P.Brauer發(fā)現(xiàn)吸附了水蒸氣的電導率發(fā)生了變化；1948年，J.Gray發(fā)現(xiàn)CUO2薄膜的氣敏性在200 ℃左右的溫度才能發(fā)揮出來；1962年，T.Seiyama等人發(fā)現(xiàn)吸附了氣體的半導體表面電阻發(fā)生變化，此后半導體氣敏傳感器開始飛速發(fā)展，至今都占據(jù)著氣敏傳感器市場領(lǐng)域的主要地位。隨著研究的深入，F(xiàn)e2O3、MgO、In2O3、TiO等氧化物以及鈣鈦礦復合氧化物材料的氣敏性能也相繼被發(fā)現(xiàn)，相應的新的制備工藝（比如納米、薄膜等制備技術(shù)）以及摻雜技術(shù)等，都為實現(xiàn)氣敏新型材料的制備創(chuàng)造了條件，為提高氣敏原件的綜合性能提供了可能。

2 氣敏傳感器的原理及分類介紹

針對氣敏傳感器的不同原理和檢測對象，對氣敏傳感器進行了簡單分類。

2.1 電阻式半導體氣敏傳感器

電阻式半導體氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，比如二氧化錫、二氧化錳等金屬氧化物制成敏感元件，當它們吸附了可燃氣體，比如氫氣、一氧化碳以及天然氣等，發(fā)生氧化還原反應，放出熱量，使元件溫度升高，電阻值發(fā)生變化。另外，電阻式氣敏傳感器按照半導體與氣體相互作用位置不同，可分為表面控制型和體控制型兩大類，按照制造工藝不同又可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。

電阻式半導體氣敏傳感器在測試中電阻量變化明顯，具有靈敏度高、成本低、響應時間短等特征，被廣泛應用。

2.2 非電阻式半導體氣敏傳感器

非電阻式半導體氣敏傳感器利用氣敏元件吸附和反應時引起的PN結(jié)或場效應管功能參數(shù)變化來實現(xiàn)氣體的檢測。常見類型有金屬-半導體結(jié)二級管型、MOS二極管型、MOSFET氣體型。非電阻式氣敏傳感器的主要特點是靈敏度高，常用于可燃防爆檢測、有毒有害氣體檢測等。

2.3 固體電解質(zhì)式氣敏傳感器

以固體電解質(zhì)作為氣敏材料的化學電池，固體電解質(zhì)在與被測氣體接觸時出現(xiàn)離子，引起電勢差，電勢差的大小與氣體的濃度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。該傳感器的高靈敏度，受環(huán)境溫濕度影響小，廣泛應用于環(huán)保、能源、礦業(yè)、交通等各大領(lǐng)域。

2.4 接觸燃燒式氣敏傳感器

被測可燃性氣體在氣敏元件表面氧化燃燒，或在催化劑的作用下氧化燃燒，金屬電極接收燃燒熱后，導致電極的阻值變化，阻值的變化量正好反映了氣體的濃度。這種傳感器在石化、廚房、隧井等場所被廣泛應用。

2.5 電化學式氣敏傳感器

電化學傳感器是通過電化學氧化或還原被測氣體，進而確定氣體的成分及濃度的探測器。常用的傳感器有伽伐尼電池式氣敏傳感器和恒定點位電解池式氣敏傳感器。電化學氣敏傳感器小巧輕便、響應時間短、檢測精確，還能進行實時和連續(xù)檢測，因此使用領(lǐng)域十分廣泛，在化學工業(yè)、礦物開采、軍事方面的安全檢測、環(huán)保檢測、生產(chǎn)過程等都有較好的運用。

3 氣敏傳感器在智能手表上的實現(xiàn)架構(gòu)

隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，低功耗、高穩(wěn)定性、小型集成化的氣敏傳感器的發(fā)展也成為了可能?；贛EMS技術(shù)和工藝實現(xiàn)傳感器微型化，檢測時加熱部件可維持檢測部件和氣敏部件所需要的溫度，實現(xiàn)敏感材料和被測氣體的物化反應，引發(fā)的電信號就能表征氣體的種類和濃度。

智能手表隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，在人體特征信號（比如心率，血壓，睡眠質(zhì)量）等技術(shù)上實現(xiàn)不斷突破。如果能實現(xiàn)氣味的檢測（氣敏傳感器的應用），用來實現(xiàn)人的身體健康情況監(jiān)測，這將豐富智能手表的功能。

氣敏智能手表硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在該硬件結(jié)構(gòu)圖中，加熱板對氣敏傳感器加熱到一定的溫度，這個過程是SOC（System on chip）模塊對其檢測控制，進行一個閉環(huán)的反饋控制，保證氣敏傳感器處于最佳監(jiān)測溫度；同時，氣敏傳感器采集到的檢測信號，通過調(diào)制，A/D轉(zhuǎn)換后，送到SOC模塊進行計算處理，進行被測氣體的種類和濃度識別、顯示，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲在擴充存儲器中。

圖1 智能手表硬件結(jié)構(gòu)圖

軟件實現(xiàn)方面如圖2所示，通過系統(tǒng)初始化，進行按鍵循環(huán)掃描，對菜單進行功能性選擇并測量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程后進行指令的下達，對計算的結(jié)果數(shù)據(jù)進行顯示，并進行相關(guān)的通信控制。

4 氣敏傳感器的醫(yī)學應用與展望

人體在正常生理情況下各個器官功能正常，不會產(chǎn)生異常氣味。而當某些部位發(fā)生異?；蛘卟∽兒?，就會在體味、口鼻之氣、痰涕、嘔吐物、二便及經(jīng)帶等氣味上有所體現(xiàn)[5]。利用氣敏傳感器對人體散發(fā)的有關(guān)信息進行收集測試，患者散發(fā)特殊的氣體也將作為其病癥判斷的一種依據(jù)，對其健康進行初步預判，能及早提醒患者做好防范措施。

隨著居民生活水平的提高，糖尿病在全世界的患病率也在逐年上升。目前，針對糖尿病的診斷，一般通過抽血來監(jiān)測血糖濃度判斷病情，這種有創(chuàng)、有痛式的檢測手段在很多情況下不是很方便，而糖尿病患者的丙酮氣敏檢測可以實現(xiàn)糖尿病的無創(chuàng)、無痛檢測[6]。

圖2 智能手表軟件結(jié)構(gòu)圖

［1］趙勇，王琦.傳感器敏感材料及器件［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［2］楊志華，余萍，肖定全.半導體陶瓷型薄膜氣敏傳感器的研究進展［J］.功能材料，2004，35（01）：1.

［3］宋曉嵐，閆程印，張穎，等.氣敏材料的研究進展與展望［J］.材料導報，2012，26（06）：36-37.

［4］孫迎偉.摻雜對金屬氧化物氣敏傳感器氣敏性能的影響［D］.武漢：華中科技大學，2012.

［5］肖相如.中華醫(yī)學聞診大全［M］.太原：山西科學技術(shù)出版社，2014.

［6］邱月皎.用于糖尿病人呼出氣丙酮探測的氣敏傳感器［D］.山東：山東大學，2017.

2095－6835（2018）20－0156－02

TP212

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.156

徐偉（1989—），男，主要從事精密儀器及機械方面的研究。

〔編輯：張思楠〕