MEMS氣體傳感器全解析：分類、應用及行業(yè)巨頭

氣體傳感器按待檢氣體分為：

用于檢測易燃易爆氣體的傳感器，如氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發(fā)氣等；

用于檢測有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；

用于檢測工業(yè)過程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳；

用于檢測大氣污染的傳感器，如形成酸雨的NOx、CH?、O?，家庭污染如甲醛等。

按檢測原理氣體傳感器可分為電化學式、半導體式、光學式、化學式等。

圖1-氣壓傳感器示意

電化學氣體傳感器

電化學氣體傳感器本身就是一個電池，叫氣體燃料電池。準確度高、無需電源是其主要優(yōu)點，但電解液不易封裝易泄漏、無法實現(xiàn)機械化制造，目前主要應用在各種工業(yè)領(lǐng)域以及道路交通安全檢測領(lǐng)域。電化學氣體傳感器的未來，在于電解液室溫固態(tài)化并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)MEMS化，能夠克服包括制造在內(nèi)的大部分問題，并且此時的電化學傳感器將是高度一體化的，易集成的、小巧的電子系統(tǒng)。

半導體氣體傳感器

半導體氣體傳感器可分為電阻型和非電阻型。電阻型氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點；不足之處是必須工作于高溫下，對氣體的選擇性較差，元件參數(shù)分散，穩(wěn)定性不夠理想，功率要求高，當探測氣體中混有硫化物時容易中毒。非電阻型氣體傳感器也是一類較為常見的半導體氣敏器件，這類器件使用方便，無須設(shè)置工作溫度，易于集成化，得到了廣泛應用，主要有結(jié)型和MOSFET型兩種。

紅外氣體傳感器

由紅外光源、光學腔體、紅外探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成。優(yōu)點是除了相同原子組成的氣體，所有氣體均可測；全量程。缺點是工藝復雜、制造成本高、價格昂貴；粉塵、背景輻射等對檢測結(jié)果影響明顯。目前的實際應用中以二氧化碳產(chǎn)品應用居多、范圍更廣，主要應用在暖通空調(diào)與室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控、工業(yè)過程及安全防護監(jiān)控、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。

集成氣體傳感器

氣體傳感器的另一個發(fā)展方向是與其他傳感器綜合集成。2017年博世將溫度、濕度和氣壓三種傳感功能集成于一顆MEMS芯片，并采用了一種新型的濕度傳感技術(shù)；氣體傳感功能采用另一顆MEMS芯片實現(xiàn)。與競爭對手相比，可使用更小的氣體傳感器檢測各種氣體，包括揮發(fā)性有機化合物（VOC）。

2024年全球氣體傳感器市場規(guī)模大概為42.5億美元，預計到2033年將達到90.1億美元，2024年至2033年的復合年增長率（CAGR）為8.7%。

而在中國，這一市場的增長更為顯著。據(jù)MMG報告指出，2024年中國氣體傳感器市場規(guī)模已達15.3億美元，并預計至2029年將激增至25.2億美元，年復合增長率保持高位。

其中，智能移動終端和可穿戴設(shè)備將是未來氣體傳感器的殺手級應用環(huán)境，預計將帶來需求量的井噴。

表1-氣體傳感器應用領(lǐng)域

全球主要的氣體傳感器企業(yè)包括：

英國City公司

隸屬Honeywell。全球最大傳統(tǒng)電化學氣體傳感器公司，占傳統(tǒng)電化學氣體傳感器市場45%份額。該公司以電化學起家，同時涉足紅外和催化類氣體傳感器，其產(chǎn)品既包括O?、CO?、NO、NO?等較為常見氣體傳感器，也包括氰化氫，氯氣，聯(lián)氨等工業(yè)用氣的傳感器。城市技術(shù)每年生產(chǎn)超過300萬個傳感器，產(chǎn)品類別超過200種，產(chǎn)品銷往全球48個國家，City生產(chǎn)能夠檢測多達28種不同氣體的300多款傳感器產(chǎn)品，其中包括有電化學式、催化燃燒式、半導體式、紅外線式等。

日本Figro公司

全球最大的半導體氣體傳感器公司，占據(jù)半導體氣體傳感器市場55%份額。產(chǎn)品技術(shù)主要有半導體型（MOS）、電化學以及催化燃燒型氣體傳感器，廣泛用于安保、工業(yè)、汽車、室內(nèi)空氣檢測、冷暖空調(diào)設(shè)備、家電以及科學測量等領(lǐng)域。除傳統(tǒng)技術(shù)外，F(xiàn)igaro還推出了結(jié)合了MEMS技術(shù)的金屬氧化物類型的室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器，是業(yè)界最小面積最低功耗的室內(nèi)空氣傳感器，可用于空調(diào)、空氣凈化機以及排氣扇等設(shè)備。其主要產(chǎn)品包括溶解氧傳感器、一氧化碳傳感器、催化燃燒式可燃氣體傳感器、氧氣傳感器等。

瑞士Membrapor公司

主要專注于生產(chǎn)氣體擴散電極和電化學氣體傳感器，市場定位于中高端，應用于工業(yè)領(lǐng)域。Membrapor公司成功開發(fā)了基于新理念的獨特工藝，應用于接觸性氣體擴散電極和電化學傳感器的若干新產(chǎn)品的研發(fā)。該公司擁有20多種氣體傳感器產(chǎn)品，產(chǎn)品分為M系列（φ20mm）、C系列（φ 32mm）、S系列（φ 41mm），共上百個產(chǎn)品型號。其產(chǎn)品具有高量程和高精度，其中S系列和C系列的高量程可以達到40000ppm，高精度的傳感器可以達到10ppb級別，因此產(chǎn)品滿足很多特殊行業(yè)。Membrapor以其壓倒性的技術(shù)優(yōu)勢雄居電化學傳感世界之首。

英國Alphasense公司

是全球少數(shù)幾家獨立的專業(yè)生產(chǎn)氣體傳感器廠家之一，主要產(chǎn)品是氧氣、有毒氣體和易燃氣體傳感器。該公司的傳感器技術(shù)涵蓋了電化學，催化，光學（NDIR&PID）和半導體四大種類。其基于電化學的氧氣和有毒氣體傳感器應用廣泛，在煤礦，鋼鐵，石油化工，醫(yī)療等都大量使用。Alphasense公司的A系列（φ 20mm）和D系列（φ 14.5mm）傳感器皆為便攜式氣體檢測的工業(yè)標準，B系列（φ 32mm）適合固定位置的有毒氣體檢測。

德國UST公司

歐洲第二大綜合性傳感器研發(fā)及生產(chǎn)的專業(yè)公司，德國汽車工業(yè)的芯片供應商，提供溫度、氣體、水體及其他環(huán)境測量領(lǐng)域的傳感器。主要生產(chǎn)汽車用溫度傳感器和氣體傳感器。目前UST的產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛用于汽車制造、醫(yī)療技術(shù)、工業(yè)設(shè)備、能源與環(huán)境領(lǐng)域。在汽車制造領(lǐng)域其產(chǎn)品主要應用在大眾，寶馬，歐寶，斯坦尼亞，MAN及德國產(chǎn)載重汽車。

奧地利AMS公司

全球領(lǐng)先的高性能模擬集成電路(IC)設(shè)計及制造商，氣體傳感器僅為其部分產(chǎn)品。該公司量產(chǎn)針對VOC檢測的半導體氣體傳感器，可在320°環(huán)境下工作，功耗達到34mW及以下。AMS提供世界上最先進的晶圓級光學元器件和衍射光學元件，并采用高度微型化的光學封裝。AMS在奧地利的工廠主要負責前端晶圓制造，新加坡工廠負責光學傳感器的生產(chǎn)和封裝以及VCSEL制造，菲律賓負責測試/傳感器校準。

瑞士Sensirion公司

濕度、氣體和液體流量測量和控制領(lǐng)域高質(zhì)量傳感器和傳感器解決方案的領(lǐng)先制造商，公司總部位于瑞士蘇黎世附近，其傳感器元件應用于包括汽車工業(yè)、醫(yī)療技術(shù)、建筑技術(shù)、工業(yè)制造和消費產(chǎn)品。Sensirion基于創(chuàng)新的CMOSens技術(shù)，在一個半導體芯片上結(jié)合了傳感器和分析電子器件，提高了傳感器質(zhì)量和降低了生成成本。其子公司Sensirion Automotive Solutions專門為汽車行業(yè)設(shè)計，開發(fā)和制造環(huán)境感應器。主要重點是汽車HVAC（加熱、通風和空調(diào)）應用所適用的環(huán)境感應器，利用各種傳感技術(shù)來測量相對濕度、溫度、氣體濃度和顆粒物質(zhì)濃度。同時，Sensirion推出世界上第一款多像素氣體傳感器，尺寸僅為2.45×2.45×0.75mm，可檢測VOCS、酒精、CO等氣體。

鄭州漢威公司

從事氣體傳感器研究、生產(chǎn)，主要業(yè)務是氣體傳感器、氣體檢測儀器儀表、氣體檢測控制系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及自營產(chǎn)品出口。其產(chǎn)品用于檢測、監(jiān)控可燃性氣體、有毒有害氣體和特種氣體。公司產(chǎn)品包括:GA系列氣體報警器、KB/GD/GE系列可燃氣體報警器、BX系列可燃/毒性氣體檢測儀、JL系列氣體檢漏儀、JL300系列鹵素檢測儀、AT系列酒精檢測儀、KB系列氣體報警控制器、氣體變送器和氣體探測器等。產(chǎn)品應用行業(yè)分布廣泛，涵蓋石油、化工、冶金、電子、燃氣、污水處理、生物科學、航天航空、軍事反恐等領(lǐng)域，用于防火防爆、預防中毒、污染監(jiān)測、環(huán)境治理、改善人居環(huán)境。

鄭州煒盛公司

與漢威公司淵源很深，國內(nèi)氣體傳感器龍頭企業(yè)，也是目前國內(nèi)少有的能生產(chǎn)半導體類、催化燃燒類、電化學類和紅外光學類等四大類氣體傳感器的企業(yè)。該公司產(chǎn)品包括紅外氣體傳感器、電化學氣體傳感器、平面半導體氣體傳感器、載體催化元件、半導體氣體傳感器、流量傳感器、熱釋電傳感器、熱傳導氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、熱線型氣體傳感器、壓力傳感器、MEMS傳感器等十二大系列，200多個品種，共可用于檢測氣體300余種。檢測氣體種類覆蓋絕大多數(shù)可燃氣體（甲烷、丙烷、氫氣等）和多數(shù)毒性氣體（一氧化碳、硫化氫、苯等），應用于工業(yè)、礦業(yè)、航空航天、民用、商業(yè)等領(lǐng)域。

杭州麥樂克公司

專業(yè)從事中高端紅外特征敏感元件研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是目前國內(nèi)信噪比和透過率、截止率、敏感度最高的紅外特征敏感元器件和傳感器制造商，在傳感技術(shù)領(lǐng)域擁有70余項核心專利技術(shù)，產(chǎn)品廣泛應用于航天航空、智能家居、消費電子、智慧醫(yī)療、環(huán)保、消防安防、礦業(yè)、電力電子、車聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域。麥樂克在全球擁有上千家高端客戶，是全球中高端紅外特征敏感元件生產(chǎn)廠家中現(xiàn)貨品種最齊全、性價比最高的供應商，被德國傳感技術(shù)專業(yè)協(xié)會（AMA）評價為全球最高端的4家紅外探測敏感元件生產(chǎn)廠家之一。在SENSORCHINA2017上展示全球首款標識5種氣體傳感器（可以同時檢測二氧化碳、一氧化碳、甲烷、甲醛和VOC）等一系列產(chǎn)品。