譚暢舒 李艷 杜進(jìn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074

0 前言

伴隨著新一輪產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)革命的興起，人類社會(huì)正行走在技術(shù)設(shè)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(lián)”的大背景下，便攜式智能設(shè)備逐漸成為了用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)中心和信息節(jié)點(diǎn)。大量涌現(xiàn)的便攜式智能設(shè)備每天都在生產(chǎn)著海量的信息，這些信息每分每秒通過發(fā)達(dá)的4G、5G高速信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)我們的生活，惠及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而多種多樣的傳感器作為電子設(shè)備生產(chǎn)信息最重要的途徑[1]，也成為信息技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的一環(huán)。電子設(shè)備所集成的傳感器是多種多樣的，以智能手機(jī)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(qiáng)大的功能，進(jìn)而賦予了智能手機(jī)在通訊、娛樂、個(gè)人健康管理、公共安全、環(huán)境檢測，甚至是食品檢測方面的重要能力[4]。

相比傳統(tǒng)概念中人的五感——形、聲、聞、味、觸[5]，手機(jī)所能模仿的人類感官已經(jīng)包括視覺（攝像頭）、觸覺（觸摸屏）、聽覺（話筒與語音識別）等，唯獨(dú)缺乏對氣味識別分析的“聞”與“味”[6]，這成為便攜式電子設(shè)備功能上的一大缺失。然而，人們不斷上升的環(huán)保意識和對生活品質(zhì)的追求推動(dòng)著便攜式電子設(shè)備新功能的拓展，為便攜式電子設(shè)備賦予氣味識別功能自然成為重點(diǎn)突破對象。具有氣體和氣味識別功能的便攜式電子設(shè)備具有廣泛的潛在應(yīng)用場景，例如：大氣質(zhì)量監(jiān)測[7]、家居環(huán)境空氣質(zhì)量分析[8]；通過呼吸氣體組分檢測進(jìn)行疾病早期預(yù)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(shè)備局促的空間、有限的電池容量和較高的人機(jī)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(shè)備[10]。本文綜述了人們在氣體檢測設(shè)備的小型化、集成化和信息化方面所進(jìn)行的努力，梳理了近年來的研究進(jìn)展，以期為相關(guān)研究提供新的啟發(fā)與思路。

1 氣體檢測設(shè)備的便攜化進(jìn)程

人們已經(jīng)開發(fā)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(fā)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(yōu)勢在于檢測精度高、物質(zhì)識別率高，能夠?qū)?fù)雜組分樣品進(jìn)行定量分析[12]。得益于這種特性，GC成為了食品檢測[12-13]、環(huán)境氣體分析等領(lǐng)域的重要設(shè)備。例如，在LIU J等人[13]對雞肉烹飪風(fēng)味的研究中，GC與電子鼻聯(lián)用可以對約40種化合物進(jìn)行定量分析，雞胸肉烹飪中鮮味、苦味形成的化學(xué)機(jī)理與反應(yīng)機(jī)理也因此得以進(jìn)一步揭示。然而，傳統(tǒng)GC設(shè)備過大的體積、重量和過于嚴(yán)格的使用條件將其應(yīng)用場所限制在了實(shí)驗(yàn)室[14]。為了進(jìn)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(yōu)勢的同時(shí)，對其作了諸多小型化嘗試。GARG A等人[15]設(shè)計(jì)并制造了如圖1（a）所示的微型GC——Zebra GC，該設(shè)備整體重量約1.8 kg，體積為30 cm×15 cm×10 cm。WANG J等人[16]設(shè)計(jì)了如圖1（b）所示的腰掛式GC——PEMM-2，進(jìn)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(shè)備檢測精度較為接近，針對有機(jī)揮發(fā)性氣體（Volatile Organic Compounds，VOCs）的檢測精度均達(dá)到10-9（part per billion, ppb）級。為了滿足便攜式氣體分析設(shè)備的需求，一些生產(chǎn)商也推出了自己的微型GC產(chǎn)品[19]，解決了部分研究型工作需要現(xiàn)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(shè)備需要?dú)錃庠春透邷貦z測條件，對檢測的安全性提出了挑戰(zhàn)；

（2）小型化困難：系統(tǒng)復(fù)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(shè)備依賴連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互；

（4）采樣復(fù)雜：大部分設(shè)備均需要使用專用采樣管人工采樣、進(jìn)樣，難以滿足即時(shí)測試的要求；

（5）使用成本高：GC設(shè)備的采購，乃至使用、維護(hù)都需要付出較高的經(jīng)濟(jì)或?qū)W習(xí)成本，對使用者自身素質(zhì)也提出了較高要求。

上述缺陷將GC的應(yīng)用限制在研究型工作領(lǐng)域，GC設(shè)備的集成也是相對比較困難。表1列舉了近期GC設(shè)備的小型化工作。

表 1 GC小型化工作及產(chǎn)品匯總

1.2 電子鼻

19世紀(jì)后，隨著人類工業(yè)進(jìn)程的加速，對危險(xiǎn)氣體檢測的需求也進(jìn)一步提升[24]。工廠、礦井等危險(xiǎn)場所往往需要布設(shè)大量不需要長期培訓(xùn)和精密維護(hù)就能夠正常使用的氣體檢測設(shè)備[25]，因此，人們開始了電子鼻的設(shè)計(jì)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(shè)備，電子鼻不僅能識別氣味，還進(jìn)一步拓展了檢測范圍，也能夠?qū)o色無味的有害氣體進(jìn)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，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(huì)賦予電子鼻不同的功能用以對應(yīng)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(fèi)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(xiàn)[31]，人類開始使用安全礦燈代替小動(dòng)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(jì)，礦井和油田的可燃?xì)怏w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(jì)末，隨著日本液化氣普及帶來的煤氣事故數(shù)量增加，家用液化氣泄露預(yù)警為電子鼻提供了新的應(yīng)用場景。面對礦井、工廠、廚房等缺少專業(yè)維護(hù)且無法承擔(dān)高額檢測費(fèi)用的場所，人們設(shè)計(jì)了基于催化燃燒[35]、金屬氧化物半導(dǎo)體[36]等檢測原理的“傻瓜式”燃?xì)鈭?bào)警器，其基本原理和器件構(gòu)型一直沿用至今。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著技術(shù)的發(fā)展和潛在應(yīng)用場景的飛速增加，大量電子鼻和氣體傳感器相關(guān)的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，便攜、智能和多用途逐漸代替廉價(jià)、簡單，成為了電子鼻研發(fā)的主要方向。LIU H等人[32]設(shè)計(jì)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(jìn)行檢測，如圖2（b）所示。6個(gè)TGS傳感器和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊的整體尺寸約20 cm×20 cm，需要連接計(jì)算機(jī)使用。TIAN F C等人[33]設(shè)計(jì)了一款不需要外接計(jì)算機(jī)的電子鼻，以8個(gè)商用氣體傳感器組成氣體傳感模塊，成功實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)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(nèi)狹小空間的長期測試要求。目前的電子鼻一定程度上實(shí)現(xiàn)了便攜，且配合算法與傳感器陣列[37]，多用途能力已經(jīng)大幅度增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了混合組分檢測和機(jī)器學(xué)習(xí)功能。表2匯總了近期電子鼻相關(guān)研究。

表 2 電子鼻研究和產(chǎn)品匯總

然而，目前電子鼻的尺寸、能耗和可集成性等參數(shù)依然不能滿足人們?yōu)槭謾C(jī)等便攜式電子設(shè)備賦予氣體檢測功能的目標(biāo)，特別是傳感器陣列的構(gòu)建依然需要占據(jù)相當(dāng)?shù)目臻g。在電子鼻領(lǐng)域，集成有關(guān)的技術(shù)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(huì)造成大量空間浪費(fèi)；

（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(huì)影響集成電路系統(tǒng)中電子元器件的正常工作，也會(huì)提高電子設(shè)備的能耗，降低電池的續(xù)航能力，對便攜設(shè)備極為不利；

（3）信號類型不匹配：目前，多數(shù)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(zhuǎn)為數(shù)字信號才能與電子設(shè)備相匹配。

2 便攜式氣體檢測設(shè)備的發(fā)展趨勢

近十年來，便攜式電子設(shè)備呈現(xiàn)出跨越式發(fā)展。人們希望將氣體檢測設(shè)備集成于手機(jī)、手表等電子設(shè)備上，針對生活環(huán)境和人自身呼出氣體進(jìn)行檢測。目前，蘋果等公司都已經(jīng)針對此類技術(shù)進(jìn)行布局，申請了一些相關(guān)專利。由于便攜式電子設(shè)備內(nèi)部空間狹小，電量有限，提高集成度和降低能耗已經(jīng)成為當(dāng)下最需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。為此，氣體傳感器在未來需要克服以下幾個(gè)難點(diǎn)。

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(shù)難點(diǎn)之一就是工作溫度高。市面上的主流產(chǎn)品工作溫度幾乎都在150～500 ℃左右，這樣的工作溫度不僅會(huì)影響集成電路系統(tǒng)中電子元器件的正常工作，也會(huì)提高電子設(shè)備的能耗，降低電池的續(xù)航能力，這對依靠電池供電的便攜式電子設(shè)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(huì)造成潛在的電池爆燃風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)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(fā)傳感器，降低傳感器工作溫度，運(yùn)用其他檢測原理回避高溫工作環(huán)境。LIU Y等人[44]報(bào)道了一種使用可見光激發(fā)的WO3/CuWO4基室溫氣體傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了對數(shù)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(fā)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(shè)計(jì)制備方面進(jìn)行更多研究，探索更加成熟、穩(wěn)定的器件結(jié)構(gòu)和工藝方法。

2.2 改善制備工藝

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）和納機(jī)電系統(tǒng)（Nano-Electro-Mechanical System，NEMS）工藝的出現(xiàn)和成熟，氣體傳感器得以進(jìn)一步小型化，在減小體積的同時(shí)也能夠降低能耗。MIN Y等人[46]在2003年就開發(fā)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?qū)崿F(xiàn)對多種氣體的檢測。商業(yè)化產(chǎn)品中亦有MEMS器件出現(xiàn)，最具代表性的是盛思銳公司，其全系列產(chǎn)品幾乎都為MEMS器件。

2.3 開發(fā)柔性器件

具有柔性的檢測設(shè)備能夠更好地貼合人體，集成在如智能手表、手環(huán)、眼鏡等異形器件上，進(jìn)而提升氣體檢測針對特定人群和職業(yè)的專業(yè)化、定制化服務(wù)能力。人們通常使用聚合物、水凝膠等柔性基底實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)能力。WANG X等人[47]報(bào)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(jī)屏幕光的激發(fā)下，能實(shí)現(xiàn)對ppb級氣體濃度的響應(yīng)。

2.4 加強(qiáng)智能化、信息化能力

將氣體檢測設(shè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)對石油天然氣工業(yè)常用的氣體傳感器進(jìn)行了現(xiàn)場校準(zhǔn)，并分析了不同算法下校準(zhǔn)結(jié)果的差異。使用算法對氣體傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)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(diǎn)漂移問題。氣體檢測設(shè)備的信息化能力建構(gòu)也是人們關(guān)心的問題之一。SONG Z等人[37]設(shè)計(jì)并制備了一種基于納米結(jié)構(gòu)的集成式自供電家用氣體傳感器系統(tǒng)，如圖3（c）所示，該系統(tǒng)在使用納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極低濃度（ppb級）有害氣體檢測的同時(shí)，使用光能電池配合室內(nèi)光照為4×4室溫氣體傳感器陣列供能，并利用藍(lán)牙將檢測結(jié)果發(fā)送至手機(jī)App端，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氣體傳感器系統(tǒng)的自供電和信息化。

3 總結(jié)與展望

便攜式氣體檢測設(shè)備經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室精密分析轉(zhuǎn)向家庭商業(yè)應(yīng)用，由大型設(shè)備向小型化轉(zhuǎn)變，由單一功能向多用途進(jìn)化。目前，便攜式氣體檢測設(shè)備已經(jīng)基本解決了器件的安全性、成本控制、可靠性和大規(guī)模生產(chǎn)問題，人們得以進(jìn)一步考慮其在信息化產(chǎn)業(yè)中所能擔(dān)負(fù)的更多功能。便攜式氣體檢測設(shè)備已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了便攜化和智能化的設(shè)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(fā)能量源、改進(jìn)制備工藝，新一代氣體檢測設(shè)備將更好地與算法相配合，完成復(fù)雜環(huán)境下的氣體檢測和氣味識別，助力信息時(shí)代中滿足人們更高質(zhì)量生活的美好愿望。