綜述智能氣體傳感器：近期發(fā)展與未來展望

氣體傳感器是一種傳感器，它將氣體分析物與傳感材料之間的相互作用轉(zhuǎn)換成適合進(jìn)一步處理的適當(dāng)形式，提供氣體組成和濃度信息。在過去的幾十年里，氣體傳感器已成為現(xiàn)代生活不可或缺的一部分（圖1），在大氣和室內(nèi)監(jiān)測、醫(yī)療和保健、食品工業(yè)、公共安全、化學(xué)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的蓬勃發(fā)展和智能應(yīng)用需求的增加，智能氣體傳感器應(yīng)運而生。智能氣體傳感器，也稱為智能氣體傳感器或數(shù)字氣體傳感器，是一種以傳感器為中心的模塊集成，集成了通信技術(shù)和人工智能技術(shù)，并以便攜式傳感器、靈活和可穿戴傳感器以及傳感器陣列的形式出現(xiàn)。智能氣體傳感器預(yù)計將用于未來的數(shù)字家庭、早期診斷、非侵入性醫(yī)療治療、健身追蹤、食品質(zhì)量評估、氣體泄漏遠(yuǎn)程警告、個人身份驗證、疫情早期預(yù)警、無接觸交互面板、可見工業(yè)安全警示、活植物保健等。

在過去的十年中，智能氣體傳感器，特別是便攜式和可穿戴氣體傳感器，已成為一種高效且靈活的精確分析工具，這種工具受到人員感知不可行性、復(fù)雜預(yù)處理程序以及不可避免使用有害化學(xué)試劑的限制。電子行業(yè)推動了微型化傳感芯片與標(biāo)準(zhǔn)電子組件的集成，催生了可穿戴1.0，主要以智能手機(jī)、智能眼鏡、智能手環(huán)、智能手表等剛性形式存在。近年來，隨著對生物信息和可穿戴生物診斷的市場需求不斷增長，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前的剛性可穿戴1.0已經(jīng)發(fā)展到下一代可穿戴2.0時代。未來的可穿戴設(shè)備將超越當(dāng)前剛性晶圓和平面電路平臺技術(shù)的限制，變得柔軟、可貼附于皮膚、可拉伸、可彎曲、可扭轉(zhuǎn)、可卷曲，形式多樣，如紡織品、貼片、紋身，甚至是組織雜交。物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈包括：（1）用于感應(yīng)和信號轉(zhuǎn)換的柔性可穿戴傳感器；（2）無線通信用于轉(zhuǎn)換信號并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端存儲和計算；以及（3）用于分析、解釋、預(yù)測和生成早期警報的人工智能訓(xùn)練和警告系統(tǒng)。非可穿戴智能氣體傳感器和傳感器陣列已被應(yīng)用于高精度的廢氣排放監(jiān)測、危險和有毒氣體泄漏檢測以發(fā)出早期警報，移動環(huán)境監(jiān)測以執(zhí)行；而智能可穿戴設(shè)備已在非侵入性診斷和智能農(nóng)業(yè)中出現(xiàn)，并傾向于通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在線醫(yī)療保健和疫情事件的早期預(yù)警。

研究成果

氣體傳感器是現(xiàn)代社會不可或缺的一部分，其應(yīng)用廣泛，包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、食品工業(yè)、公共安全等。隨著傳感器技術(shù)、無線通信、智能監(jiān)控終端、云存儲/計算技術(shù)以及人工智能的發(fā)展，智能氣體傳感器代表了氣體傳感的未來，因為它們具有實時多功能監(jiān)測、預(yù)警功能以及智能化和自動化的特點。為了高性能的智能氣體分析，已經(jīng)開發(fā)了各種電子和光電氣體傳感器。隨著智能終端的發(fā)展和集成技術(shù)的成熟，柔性可穿戴氣體傳感器在氣體分析中扮演著越來越重要的角色。這篇綜述突出了智能氣體傳感器在各種應(yīng)用中的最新進(jìn)展。描述了電子和光電氣體傳感器的結(jié)構(gòu)組件和基本原理，并突出了柔性可穿戴氣體傳感器設(shè)備。此外，介紹了具有人工智能算法的傳感器陣列和“物聯(lián)網(wǎng)”范式中的智能氣體傳感器。最后，討論了智能氣體傳感器面臨的挑戰(zhàn)和前景，關(guān)于未來智能城市和健康生活對氣體傳感器的需求。相關(guān)研究以“Smart Gas Sensors： Recent Developments and Future Prospective”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。同濟(jì)大學(xué)毛舜&李秋菊教授為文章通訊作者。

研究亮點

1. 介紹了先進(jìn)電子和光電氣體傳感器的最新發(fā)展。

2. 突出了人工智能算法和“物聯(lián)網(wǎng)”范式中的智能氣體傳感器陣列。

3. 描述了智能氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、食品質(zhì)量控制和公共安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖文導(dǎo)讀

Fig. 1 Smart gas sensors with widespread use in multiple scenes of human life. Adapted illustration 81383831. Copyright Elenabsl Dream-stime.com

Fig. 2 Full-spectrum operation procedures of smart gas sensors

Fig. 3 Substrate and conductive materials and the fabrication methods for fexible and wearable sensing devices.

Fig. 4 Scheme mechanism of electrochemical and optoelectronic gas sensor.

Fig. 5 Flexible and wearable metal/metal oxide and hydrogel-based electronical gas sensors for environmental pollutants monitoring.

Fig. 6 Multi-functional gas sensor of pathological biomarkers for disease diagnoses.

Fig. 7 Smart gas sensors for food freshness and spoilage of protein-rich food.

Fig. 8 Smart explosive and nerve agent sensors for public safety.

Fig. 9 Scheme illustration of two target sensing modes （take the disease detection as examples）。///

總結(jié)與展望在過去的幾十年里，智能氣體傳感器技術(shù)受到了集成、物聯(lián)網(wǎng)和高級算法的推動，并從當(dāng)前的剛性便攜設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活的可穿戴電子產(chǎn)品。本綜述介紹了電學(xué)和光電氣體傳感器的基本工作原理、智能可穿戴氣體傳感器的完整操作流程、傳感器架構(gòu)以及智能氣體傳感器在各種應(yīng)用中的最新進(jìn)展。使用無線通信技術(shù)并且利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)賦能物聯(lián)網(wǎng)，可以很好地識別各種應(yīng)用中的氣體，具有高靈敏度的傳感性能。智能氣體傳感器依舊存在以下挑戰(zhàn)：感測精度和檢測區(qū)分度、數(shù)據(jù)完整性和可重復(fù)性、低噪聲、內(nèi)在一致性、材料科學(xué)與數(shù)字集成。

這篇綜述討論了智能氣體傳感器的當(dāng)前發(fā)展和未來前景。智能氣體傳感器的最新跨學(xué)科概念匯集了材料科學(xué)、嵌入式計算技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，這強調(diào)了其多功能性和變革潛力。