氣敏傳感器在智能手表上的應(yīng)用分析展望

徐偉，楊麗，鐘飛，鄔治平

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氣敏傳感器在智能手表上的應(yīng)用分析展望

徐偉，楊麗，鐘飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107）

隨著智能手表的普及，智能手表的功能在逐漸增多。人體特征信息的測(cè)量也越來(lái)越受到關(guān)注，三星、蘋(píng)果、華為等品牌的智能手表以心率、血壓的測(cè)量功能作為賣(mài)點(diǎn)進(jìn)行宣傳出售。自古以來(lái)，中醫(yī)就有“望聞問(wèn)切”的治病方式，氣味作為某種疾病的表征，也受到了一些氣敏傳感器研究學(xué)者的興趣。如果將氣敏傳感器與智能手表結(jié)合，這將會(huì)對(duì)日常的疾病預(yù)判，尤其是一些特殊群體有較大的利處。其中，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)為智能手表搭載氣敏傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)其微型化、智能化提供了可能。

智能手表；氣敏傳感器；MEMS；病癥預(yù)判

1 氣敏傳感器的背景

氣敏傳感器是指對(duì)氣體敏感的傳感器，根據(jù)氣體種類(lèi)和濃度有關(guān)的信息，將置于環(huán)境中的氣敏傳感器的物質(zhì)屬性變化（比如電阻、電流、電壓等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就表征了待測(cè)環(huán)境中氣體的種類(lèi)和濃度信息。

1931年，有學(xué)者P.Brauer發(fā)現(xiàn)吸附了水蒸氣的電導(dǎo)率發(fā)生了變化；1948年，J.Gray發(fā)現(xiàn)CUO2薄膜的氣敏性在200 ℃左右的溫度才能發(fā)揮出來(lái)；1962年，T.Seiyama等人發(fā)現(xiàn)吸附了氣體的半導(dǎo)體表面電阻發(fā)生變化，此后半導(dǎo)體氣敏傳感器開(kāi)始飛速發(fā)展，至今都占據(jù)著氣敏傳感器市場(chǎng)領(lǐng)域的主要地位。隨著研究的深入，F(xiàn)e2O3、MgO、In2O3、TiO等氧化物以及鈣鈦礦復(fù)合氧化物材料的氣敏性能也相繼被發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的新的制備工藝（比如納米、薄膜等制備技術(shù)）以及摻雜技術(shù)等，都為實(shí)現(xiàn)氣敏新型材料的制備創(chuàng)造了條件，為提高氣敏原件的綜合性能提供了可能。

2 氣敏傳感器的原理及分類(lèi)介紹

針對(duì)氣敏傳感器的不同原理和檢測(cè)對(duì)象，對(duì)氣敏傳感器進(jìn)行了簡(jiǎn)單分類(lèi)。

2.1 電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器

電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，比如二氧化錫、二氧化錳等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸附了可燃?xì)怏w，比如氫氣、一氧化碳以及天然氣等，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度升高，電阻值發(fā)生變化。另外，電阻式氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體相互作用位置不同，可分為表面控制型和體控制型兩大類(lèi)，按照制造工藝不同又可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。

電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器在測(cè)試中電阻量變化明顯，具有靈敏度高、成本低、響應(yīng)時(shí)間短等特征，被廣泛應(yīng)用。

2.2 非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器

非電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器利用氣敏元件吸附和反應(yīng)時(shí)引起的PN結(jié)或場(chǎng)效應(yīng)管功能參數(shù)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的檢測(cè)。常見(jiàn)類(lèi)型有金屬-半導(dǎo)體結(jié)二級(jí)管型、MOS二極管型、MOSFET氣體型。非電阻式氣敏傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，常用于可燃防爆檢測(cè)、有毒有害氣體檢測(cè)等。

2.3 固體電解質(zhì)式氣敏傳感器

以固體電解質(zhì)作為氣敏材料的化學(xué)電池，固體電解質(zhì)在與被測(cè)氣體接觸時(shí)出現(xiàn)離子，引起電勢(shì)差，電勢(shì)差的大小與氣體的濃度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。該傳感器的高靈敏度，受環(huán)境溫濕度影響小，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、能源、礦業(yè)、交通等各大領(lǐng)域。

2.4 接觸燃燒式氣敏傳感器

被測(cè)可燃性氣體在氣敏元件表面氧化燃燒，或在催化劑的作用下氧化燃燒，金屬電極接收燃燒熱后，導(dǎo)致電極的阻值變化，阻值的變化量正好反映了氣體的濃度。這種傳感器在石化、廚房、隧井等場(chǎng)所被廣泛應(yīng)用。

2.5 電化學(xué)式氣敏傳感器

電化學(xué)傳感器是通過(guò)電化學(xué)氧化或還原被測(cè)氣體，進(jìn)而確定氣體的成分及濃度的探測(cè)器。常用的傳感器有伽伐尼電池式氣敏傳感器和恒定點(diǎn)位電解池式氣敏傳感器。電化學(xué)氣敏傳感器小巧輕便、響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)精確，還能進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)檢測(cè)，因此使用領(lǐng)域十分廣泛，在化學(xué)工業(yè)、礦物開(kāi)采、軍事方面的安全檢測(cè)、環(huán)保檢測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程等都有較好的運(yùn)用。

3 氣敏傳感器在智能手表上的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，低功耗、高穩(wěn)定性、小型集成化的氣敏傳感器的發(fā)展也成為了可能?；贛EMS技術(shù)和工藝實(shí)現(xiàn)傳感器微型化，檢測(cè)時(shí)加熱部件可維持檢測(cè)部件和氣敏部件所需要的溫度，實(shí)現(xiàn)敏感材料和被測(cè)氣體的物化反應(yīng)，引發(fā)的電信號(hào)就能表征氣體的種類(lèi)和濃度。

智能手表隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，在人體特征信號(hào)（比如心率，血壓，睡眠質(zhì)量）等技術(shù)上實(shí)現(xiàn)不斷突破。如果能實(shí)現(xiàn)氣味的檢測(cè)（氣敏傳感器的應(yīng)用），用來(lái)實(shí)現(xiàn)人的身體健康情況監(jiān)測(cè)，這將豐富智能手表的功能。

氣敏智能手表硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在該硬件結(jié)構(gòu)圖中，加熱板對(duì)氣敏傳感器加熱到一定的溫度，這個(gè)過(guò)程是SOC（System on chip）模塊對(duì)其檢測(cè)控制，進(jìn)行一個(gè)閉環(huán)的反饋控制，保證氣敏傳感器處于最佳監(jiān)測(cè)溫度；同時(shí)，氣敏傳感器采集到的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)調(diào)制，A/D轉(zhuǎn)換后，送到SOC模塊進(jìn)行計(jì)算處理，進(jìn)行被測(cè)氣體的種類(lèi)和濃度識(shí)別、顯示，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在擴(kuò)充存儲(chǔ)器中。

圖1 智能手表硬件結(jié)構(gòu)圖

軟件實(shí)現(xiàn)方面如圖2所示，通過(guò)系統(tǒng)初始化，進(jìn)行按鍵循環(huán)掃描，對(duì)菜單進(jìn)行功能性選擇并測(cè)量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程后進(jìn)行指令的下達(dá)，對(duì)計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并進(jìn)行相關(guān)的通信控制。

4 氣敏傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用與展望

人體在正常生理情況下各個(gè)器官功能正常，不會(huì)產(chǎn)生異常氣味。而當(dāng)某些部位發(fā)生異常或者病變后，就會(huì)在體味、口鼻之氣、痰涕、嘔吐物、二便及經(jīng)帶等氣味上有所體現(xiàn)[5]。利用氣敏傳感器對(duì)人體散發(fā)的有關(guān)信息進(jìn)行收集測(cè)試，患者散發(fā)特殊的氣體也將作為其病癥判斷的一種依據(jù)，對(duì)其健康進(jìn)行初步預(yù)判，能及早提醒患者做好防范措施。

隨著居民生活水平的提高，糖尿病在全世界的患病率也在逐年上升。目前，針對(duì)糖尿病的診斷，一般通過(guò)抽血來(lái)監(jiān)測(cè)血糖濃度判斷病情，這種有創(chuàng)、有痛式的檢測(cè)手段在很多情況下不是很方便，而糖尿病患者的丙酮?dú)饷魴z測(cè)可以實(shí)現(xiàn)糖尿病的無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛檢測(cè)[6]。

圖2 智能手表軟件結(jié)構(gòu)圖

［1］趙勇，王琦.傳感器敏感材料及器件［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］楊志華，余萍，肖定全.半導(dǎo)體陶瓷型薄膜氣敏傳感器的研究進(jìn)展［J］.功能材料，2004，35（01）：1.

［3］宋曉嵐，閆程印，張穎，等.氣敏材料的研究進(jìn)展與展望［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（06）：36-37.

［4］孫迎偉.摻雜對(duì)金屬氧化物氣敏傳感器氣敏性能的影響［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［5］肖相如.中華醫(yī)學(xué)聞診大全［M］.太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

［6］邱月皎.用于糖尿病人呼出氣丙酮探測(cè)的氣敏傳感器［D］.山東：山東大學(xué)，2017.

2095－6835（2018）20－0156－02

TP212

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.156

徐偉（1989—），男，主要從事精密儀器及機(jī)械方面的研究。

〔編輯：張思楠〕