富士康应用石墨烯开发出新型气体传感器

　　据麦姆斯咨询报道，Fujitsu Laboratories公司近日宣布基于石墨烯的新型原理，开发出了全球首款超灵敏气体传感器，石墨烯是一种碳原子排布形成厚度仅为一个原子的准二维材料。

　　该研究成果为开发能够快速、灵敏地监测特定气体组份的紧凑型仪器开辟了道路，可应用于探测大气污染，或人体呼吸中的有机衍生气体。

　　Fujitsu Laboratories公司开发的这种新型气体传感器利用了一种新的传感原理，其硅晶体管的绝缘栅部分由石墨烯取代。该传感器能够探测浓度低于10 ppb（十亿分之一）的NO2（二氧化氮）和NH3（氨气）；其对于NO2的灵敏度更是提高了十余倍，探测浓度低于1 ppb。

　　新开发的石墨烯绝缘栅传感器示意图（左），以及传感器产品的扫描电镜显微照片（右）

　　当气体分子附着在石墨烯上时，改变了石墨烯的功函数（work function），其结果引起了硅晶体管的阈值变化。这就是该传感器的感测原理。当气体分子从石墨烯层脱离后，石墨烯又会恢复其原始状态。

　　该技术预计能够实现空气质量的实时监测，而这之前，根据所测量气体的不同，甚至可能需要花费数十个小时的时间。该技术也将简化人体呼吸的气体组份监测，从而用于疾病的快速发现。

　　该技术的详细内容公布于2016年12月3日在美国旧金山开幕的2016 IEEE国际电子器件会议上。

　　气体传感器技术和市场：

　　颠覆性技术和新兴应用将使气体传感器市场一路飙升！

　　Gas Sensor Technology and Market

　　气体传感器的大规模市场应用一触即发

　　空气质量正成为一项重要的环境问题。污染会降低我们吸入的空气质量，进而导致身体健康问题。例如糟糕的空气会加重过敏和呼吸系统疾病，如引发哮喘。此外，某些日常活动可能会释放出有害气体，在极端情况下，类似一氧化碳的有害气体会导致死亡。因此，气体传感器吸引了越来越多厂商的兴趣。气体感测并不是一项新技术，集成气体传感器的气体探测设备已经应用于国防和工业安全，并形成了一个高度管制和成熟的市场。但是人类社会面临的空气质量问题，以及环境保护意识的不断增强，为气体传感器创造了新的应用和市场机会，包括消费类产品（如智能家居、可穿戴设备和智能手机）、建筑物和汽车（室内和车内空气质量监测）。

　　根据我们市场调研，目前气体传感器市场主要受暖通空调（HVAC）驱动增长，而未来将受消费类应用驱动增长。2014年，气体传感器市场规模为5.6亿美元，预计2021年将达到9.2亿美元，未来五年的复合年增长率为7.3%。如果气体传感器在消费类产品中广泛应用，那么2021年的市场营收上浮6500万美元也是可能的。

　　2014-2021年气体传感器市场营收预测

　　* 受到更好的能源管理需求驱动，气体传感器在建筑市场将实现快速增长，未来五年的复合年增长率为13.6%，2021年市场营收约为2.37亿美元。

　　* 医疗行业正需要高灵敏度哮喘检测传感器、用于呼吸控制的氧气传感器。

　　* 消费类应用，如智能家居、可穿戴设备和智能手机，正在推动新型MEMS气体传感器发展，以降低成本和功耗、减小尺寸。

　　* 由于人们对室外空气质量控制的渴望，环境保护市场未来五年的复合年增长率高达19%。

　　* 交通运输市场主要由氧气传感器驱动发展，未来的目标是努力减少汽车排放污染。

　　消费类市场是非常有吸引力的，因为它可以产生很大的市场，当然这取决于用户使用情况、产品成本和技术成熟度。如今，智能手机行业已经彻底改变了传感器产业，集成了种类繁多的传感器。同样地，气体传感器也可以集成于智能手机和可穿戴设备中。例如深圳市卡卓无线信息技术有限公司（K-Free）手机设计方案采用了Cambridge CMOS Sensors（简称CCS）的全数字架构MEMS气体传感器CCS811。该传感器可以感测挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOC），如家具产生的甲醛，甚至还能作为警察检测酒驾的呼吸测试器。

　　本报告假设了气体传感器在消费类应用中可能出现的三种情形：

　　* 现实情形（Realistic scenario）：未来几年，智能手机集成气体传感器的“步伐”缓慢，只有二线和三线智能手机厂商使用气体传感器。

　　* 乐观情形（Optimistic scenario）：2016年，某些主流智能手机集成了气体传感器，并在未来五年日益普及。该情形取决于技术成熟度和成本。

　　* “过山车”情形（“Rollercoaster” scenario）：2016年，某些主流智能手机集成了气体传感器，但是一年后，由于没有明确的用户需求，气体传感器又被剔除。例如三星Galaxy S3首次集成了湿度传感器，但一年之后发布的Galaxy S4却剔除了湿度传感器。

　　气体传感器技术和商业需求

　　气体传感器的技术之争

　　气体传感器技术纷繁复杂，有九种不同的方法。一般情况下，选择何种气体传感器技术取决于价格、尺寸、功耗、灵敏度和响应时间。

　　金属氧化物半导体（MOS）技术应用较广，涵盖医疗、交通运输、暖通空调、消费类产品，并且使用寿命长（5~10年）。催化（Catalytic）和电化学（electrochemical）技术是“老”技术，且使用寿命短（5年以下），主要用于国防和工业安全。

　　光学技术具有最高的精确度和最长的使用寿命，但是由于成本过高和环境恶劣，并没有广泛地应用于交通运输，而是获得暖通空调的“青睐”，尤其是非色散红外传感器（NDIR）。随着集成度进一步提高，光学技术还将打开便携式工业检测系统的市场。光学技术，如NDIR、傅立叶变换红外（FTIR）、化学发光（chemiluminescence）和微色谱法（microchromatography），是很准确的，但是较为笨重和昂贵，某些情况下，功耗也较高。如果NDIR采用光电二极管和LED时，可以实现极低的功耗。

　　MEMS不是一项新的检测原理，而是一个新的制造平台，使得现有技术产品进一步小型化：

　　* 采用MOS技术的公司：Micronas、Microsens、ams、Synkera、CCS、KWJ Engineering、Figaro

　　* 采用IR技术的公司：CCS、eLichens

　　* 采用色谱法的公司：Spectral Engines、APIX、EcoLogicSense

　　气体传感器技术及相关厂商分布图（使用寿命 vs. 应用）