富士康應用石墨烯開發(fā)出新型氣體傳感器

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，F(xiàn)ujitsu Laboratories公司近日宣布基于石墨烯的新型原理，開發(fā)出了全球首款超靈敏氣體傳感器，石墨烯是一種碳原子排布形成厚度僅為一個原子的準二維材料。

　　該研究成果為開發(fā)能夠快速、靈敏地監(jiān)測特定氣體組份的緊湊型儀器開辟了道路，可應用于探測大氣污染，或人體呼吸中的有機衍生氣體。

　　Fujitsu Laboratories公司開發(fā)的這種新型氣體傳感器利用了一種新的傳感原理，其硅晶體管的絕緣柵部分由石墨烯取代。該傳感器能夠探測濃度低于10 ppb（十億分之一）的NO2（二氧化氮）和NH3（氨氣）；其對于NO2的靈敏度更是提高了十余倍，探測濃度低于1 ppb。

　　新開發(fā)的石墨烯絕緣柵傳感器示意圖（左），以及傳感器產品的掃描電鏡顯微照片（右）

　　當氣體分子附著在石墨烯上時，改變了石墨烯的功函數(shù)（work function），其結果引起了硅晶體管的閾值變化。這就是該傳感器的感測原理。當氣體分子從石墨烯層脫離后，石墨烯又會恢復其原始狀態(tài)。

　　該技術預計能夠實現(xiàn)空氣質量的實時監(jiān)測，而這之前，根據(jù)所測量氣體的不同，甚至可能需要花費數(shù)十個小時的時間。該技術也將簡化人體呼吸的氣體組份監(jiān)測，從而用于疾病的快速發(fā)現(xiàn)。

　　該技術的詳細內容公布于2016年12月3日在美國舊金山開幕的2016 IEEE國際電子器件會議上。

　　氣體傳感器技術和市場：

　　顛覆性技術和新興應用將使氣體傳感器市場一路飆升！

　　Gas Sensor Technology and Market

　　氣體傳感器的大規(guī)模市場應用一觸即發(fā)

　　空氣質量正成為一項重要的環(huán)境問題。污染會降低我們吸入的空氣質量，進而導致身體健康問題。例如糟糕的空氣會加重過敏和呼吸系統(tǒng)疾病，如引發(fā)哮喘。此外，某些日?；顒涌赡軙尫懦鲇泻怏w，在極端情況下，類似一氧化碳的有害氣體會導致死亡。因此，氣體傳感器吸引了越來越多廠商的興趣。氣體感測并不是一項新技術，集成氣體傳感器的氣體探測設備已經應用于國防和工業(yè)安全，并形成了一個高度管制和成熟的市場。但是人類社會面臨的空氣質量問題，以及環(huán)境保護意識的不斷增強，為氣體傳感器創(chuàng)造了新的應用和市場機會，包括消費類產品（如智能家居、可穿戴設備和智能手機）、建筑物和汽車（室內和車內空氣質量監(jiān)測）。

　　根據(jù)我們市場調研，目前氣體傳感器市場主要受暖通空調（HVAC）驅動增長，而未來將受消費類應用驅動增長。2014年，氣體傳感器市場規(guī)模為5.6億美元，預計2021年將達到9.2億美元，未來五年的復合年增長率為7.3%。如果氣體傳感器在消費類產品中廣泛應用，那么2021年的市場營收上浮6500萬美元也是可能的。

　　2014-2021年氣體傳感器市場營收預測

　　* 受到更好的能源管理需求驅動，氣體傳感器在建筑市場將實現(xiàn)快速增長，未來五年的復合年增長率為13.6%，2021年市場營收約為2.37億美元。

　　* 醫(yī)療行業(yè)正需要高靈敏度哮喘檢測傳感器、用于呼吸控制的氧氣傳感器。

　　* 消費類應用，如智能家居、可穿戴設備和智能手機，正在推動新型MEMS氣體傳感器發(fā)展，以降低成本和功耗、減小尺寸。

　　* 由于人們對室外空氣質量控制的渴望，環(huán)境保護市場未來五年的復合年增長率高達19%。

　　* 交通運輸市場主要由氧氣傳感器驅動發(fā)展，未來的目標是努力減少汽車排放污染。

　　消費類市場是非常有吸引力的，因為它可以產生很大的市場，當然這取決于用戶使用情況、產品成本和技術成熟度。如今，智能手機行業(yè)已經徹底改變了傳感器產業(yè)，集成了種類繁多的傳感器。同樣地，氣體傳感器也可以集成于智能手機和可穿戴設備中。例如深圳市卡卓無線信息技術有限公司（K-Free）手機設計方案采用了Cambridge CMOS Sensors（簡稱CCS）的全數(shù)字架構MEMS氣體傳感器CCS811。該傳感器可以感測揮發(fā)性有機化合物（volatile organic compounds，VOC），如家具產生的甲醛，甚至還能作為警察檢測酒駕的呼吸測試器。

　　本報告假設了氣體傳感器在消費類應用中可能出現(xiàn)的三種情形：

　　* 現(xiàn)實情形（Realistic scenario）：未來幾年，智能手機集成氣體傳感器的“步伐”緩慢，只有二線和三線智能手機廠商使用氣體傳感器。

　　* 樂觀情形（Optimistic scenario）：2016年，某些主流智能手機集成了氣體傳感器，并在未來五年日益普及。該情形取決于技術成熟度和成本。

　　* “過山車”情形（“Rollercoaster” scenario）：2016年，某些主流智能手機集成了氣體傳感器，但是一年后，由于沒有明確的用戶需求，氣體傳感器又被剔除。例如三星Galaxy S3首次集成了濕度傳感器，但一年之后發(fā)布的Galaxy S4卻剔除了濕度傳感器。

　　氣體傳感器技術和商業(yè)需求

　　氣體傳感器的技術之爭

　　氣體傳感器技術紛繁復雜，有九種不同的方法。一般情況下，選擇何種氣體傳感器技術取決于價格、尺寸、功耗、靈敏度和響應時間。

　　金屬氧化物半導體（MOS）技術應用較廣，涵蓋醫(yī)療、交通運輸、暖通空調、消費類產品，并且使用壽命長（5~10年）。催化（Catalytic）和電化學（electrochemical）技術是“老”技術，且使用壽命短（5年以下），主要用于國防和工業(yè)安全。

　　光學技術具有最高的精確度和最長的使用壽命，但是由于成本過高和環(huán)境惡劣，并沒有廣泛地應用于交通運輸，而是獲得暖通空調的“青睞”，尤其是非色散紅外傳感器（NDIR）。隨著集成度進一步提高，光學技術還將打開便攜式工業(yè)檢測系統(tǒng)的市場。光學技術，如NDIR、傅立葉變換紅外（FTIR）、化學發(fā)光（chemiluminescence）和微色譜法（microchromatography），是很準確的，但是較為笨重和昂貴，某些情況下，功耗也較高。如果NDIR采用光電二極管和LED時，可以實現(xiàn)極低的功耗。

　　MEMS不是一項新的檢測原理，而是一個新的制造平臺，使得現(xiàn)有技術產品進一步小型化：

　　* 采用MOS技術的公司：Micronas、Microsens、ams、Synkera、CCS、KWJ Engineering、Figaro

　　* 采用IR技術的公司：CCS、eLichens

　　* 采用色譜法的公司：Spectral Engines、APIX、EcoLogicSense

　　氣體傳感器技術及相關廠商分布圖（使用壽命 vs. 應用）