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、無法實現機械化制造，目前主要應用在各種工業(yè)領域以及道路交通安全檢測領域。電化學氣體傳感器的未來，在于電解液室溫固態(tài)化并以此為基礎實現MEMS化，能夠克服包括制造在內的大部分問題，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，無須設置工作溫度，易于集成化，得到了廣泛應用，主要有結型和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理電路構成。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果影響明顯。目前的實際應用中以二氧化碳產品應用居多、范圍更廣，主要應用在暖通空調與室內空氣質量監(jiān)控、工業(yè)過程及安全防護監(jiān)控、農業(yè)及畜牧業(yè)生產過程監(jiān)控等領域。

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；氣體傳感功能采用另一顆MEMS芯片實現。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，聯氨等工業(yè)用氣的傳感器。城市技術每年生產超過300萬個傳感器，產品類別超過200種，產品銷往全球48個國家，City生產能夠檢測多達28種不同氣體的300多款傳感器產品，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，占據半導體氣體傳感器市場55%份額。產品技術主要有半導體型（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、室內空氣檢測、冷暖空調設備、家電以及科學測量等領域。除傳統(tǒng)技術外，Figaro還推出了結合了MEMS技術的金屬氧化物類型的室內空氣質量傳感器，是業(yè)界最小面積最低功耗的室內空氣傳感器，可用于空調、空氣凈化機以及排氣扇等設備。其主要產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品的研發(fā)。該公司擁有20多種氣體傳感器產品，產品分為M系列（φ20mm）、C系列（φ 32mm）、S系列（φ 41mm），共上百個產品型號。其產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，因此產品滿足很多特殊行業(yè)。Membrapor以其壓倒性的技術優(yōu)勢雄居電化學傳感世界之首。

英國Alphasense公司

是全球少數幾家獨立的專業(yè)生產氣體傳感器廠家之一，主要產品是氧氣、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)境測量領域的傳感器。主要生產汽車用溫度傳感器和氣體傳感器。目前UST的產品已經被廣泛用于汽車制造、醫(yī)療技術、工業(yè)設備、能源與環(huán)境領域。在汽車制造領域其產品主要應用在大眾，寶馬，歐寶，斯坦尼亞，MAN及德國產載重汽車。

奧地利AMS公司

全球領先的高性能模擬集成電路(IC)設計及制造商，氣體傳感器僅為其部分產品。該公司量產針對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域高質量傳感器和傳感器解決方案的領先制造商，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、建筑技術、工業(yè)制造和消費產品。Sensirion基于創(chuàng)新的CMOSens技術，在一個半導體芯片上結合了傳感器和分析電子器件，提高了傳感器質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）應用所適用的環(huán)境感應器，利用各種傳感技術來測量相對濕度、溫度、氣體濃度和顆粒物質濃度。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，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、銷售及自營產品出口。其產品用于檢測、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，國內氣體傳感器龍頭企業(yè)，也是目前國內少有的能生產半導體類、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可燃氣體（甲烷、丙烷、氫氣等）和多數毒性氣體（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)、生產和銷售，是目前國內信噪比和透過率、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，在傳感技術領域擁有70余項核心專利技術，產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、車聯網等多個領域。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廠家中現貨品種最齊全、性價比最高的供應商，被德國傳感技術專業(yè)協會（AMA）評價為全球最高端的4家紅外探測敏感元件生產廠家之一。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）等一系列產品。