人工智能時代車載氣體傳感器研究與應用

楊 斌

(科技部高技術研究中心，北京 100044)

0 引 言

汽車技術發(fā)展特征之一是越來越多的部件采用電子控制，傳感器在其中發(fā)揮了重要的作用。隨著新一代物聯網(IoT)和人工智能(AI)技術的發(fā)展，對汽車的安全、節(jié)能和自動化智能程度的要求不斷提升。目前，普通汽車上的傳感器已達幾十只，高端汽車的傳感器已達百余只。其中，用于監(jiān)測汽車尾氣、車內空氣污染物和駕駛員呼氣、以及新能源汽車燃料泄露的各類氣體傳感器的研究和應用已取得很大進展，對于保障汽車安全、高效運行和節(jié)能環(huán)保起到了重要作用。最早運用于汽車的氣體傳感器是基于固態(tài)電解質的氧傳感器。最近10年，隨著電子技術的突破和納米材料的引入，多種新型氣體傳感器成功實現商業(yè)化，并成功運用于汽車領域，一方面，進一步提高了汽車尾氣的排放水平，用以滿足日益苛刻的環(huán)保要求；另一方面，也提高了車廂內的駕乘環(huán)境，提升了舒適度。

新一代物聯網與人工智能技術的發(fā)展對高靈敏度、高可靠性氣體傳感器和芯片提出了迫切需求，也為車載氣體傳感器帶來了新的挑戰(zhàn)與發(fā)展機遇。車載氣體傳感器相比于其他領域的氣體傳感器有著更高的要求，需要具備高靈敏度、高智能、低功耗、小體積、長壽命、易集成、抗沖擊的特點。隨著微納加工技術、人工智能技術與物聯網技術的發(fā)展，將會有更多、更智能的氣體傳感器元件和芯片在汽車行業(yè)中得到運用，進一步提升燃油效率與對環(huán)境感知的能力。另外，隨著氫能源汽車的投入使用，對氫燃料泄漏的探測十分重要。

本文結合具體應用場景，綜述了車載傳感器國內外研究進展與應用現狀，同時展望了人工智能時代車載氣體傳感器的應用。

1 車用氣體傳感器種類與工作原理

最早用于汽車的氣體傳感器是用于燃燒過程控制的氧傳感器。20世紀50年代至60年代，Kiukkola，Wagner，Peters和Mobius根據能斯特原理開發(fā)了固態(tài)電解質氧分壓傳感器，并成功用于汽油機燃燒過程控制，極大地提高了汽油機燃油效率與排放水平。發(fā)動機工作時，燃料與空氣發(fā)生反應時放出熱量，當燃料與空氣的比值(空燃比)在14.7時，燃料充分燃燒，這個也被稱為最佳空燃比。當空燃比大于此值時，空氣的量較多而燃料的量較少，此時燃燒產生的熱量會被多余的空氣所帶走，降低了發(fā)動機的效率。另一方面，當空燃比小于此數值時，燃料的量較多，空氣的量較少，燃料不能完全燃燒，燃料的化學能沒有完全釋放出來，也會降低發(fā)動機的效率。因此，根據發(fā)動機尾氣氣氛種類與體積分數的數據實時調整發(fā)動機空燃比，使得發(fā)動機工作在最佳條件下，可以提高燃料的利用率，進而降低污染氣氛的排放。

由于發(fā)動機尾氣的溫度在600 ℃以上，因此氧傳感器需要工作在較高的溫度。氧化鋯(ZrO2)在高溫下(700～1 200 ℃)為優(yōu)秀的氧離子導體。在ZrO2兩端的氧氣體積分數不同時，其體內氧離子會從氧氣高體積分數一端向低體積分數一端移動，進而形成電流(圖1)。根據該原理，采用釔摻雜氧化鋯(YSZ)進一步提高敏感材料的穩(wěn)定性和氧離子的傳輸性能，設計出了濃差電池型氧傳感器，并由博世公司在1976年實現商業(yè)化。在實際應用過程中，通常將傳感器的一端通入參比空氣，另一端暴露于汽車尾氣中，測量相應的電勢，來計算出汽車尾氣的氧含量。該類型傳感器具有工作溫度高、響應性好的優(yōu)點，一直用于內燃機燃燒過程控制中[1]。

圖1 ZrO2氧傳感器原理

隨著人們對生活環(huán)境越來越重視，對車內環(huán)境的要求也越來越高。車廂內是乘員活動的主要場所，車廂內環(huán)境氣氛會影響乘員健康，嚴重時還會危害行車安全。例如，發(fā)動機廢氣可隨著空調外循環(huán)系統(tǒng)進入車廂中，廢氣中的氮氧化物會刺激人體呼吸系統(tǒng)，引發(fā)駕乘人員的不適，甚至影響駕駛員判斷。若長期使用空調內循環(huán)系統(tǒng)，會使得車廂內二氧化碳(CO2)體積分數升高，當CO2體積分數較高時會使人感到胸悶、頭昏、心悸，嚴重影響駕乘人員的感受，危害行車安全。另一方面，飲酒駕駛已成為目前危害行車安全的重要因素之一，車輛主動預防酒駕是控制酒駕的方式之一。在車廂內主駕駛一側安裝酒精探測器可以有效檢測駕駛員的飲酒狀態(tài)，保證行車安全。由于車廂內空間有限，同時需要監(jiān)測較多種類的氣氛，因此需要各類不同原理的小型氣體傳感器。

半導體氣體傳感器工作原理：當氣體吸附在氣敏材料表面時，會與敏感材料發(fā)生可逆氧化還原反應，導致敏感材料的電子發(fā)生得失，從而改變氣敏材料的電學性能，通過檢測其電學性能的變化，即可準確檢測氣體。相比其他種類的氣體傳感器，這類傳感器的優(yōu)勢是制備簡單，成本低廉，易于陣列化裝配，已應用于室內污染物監(jiān)控中。

半導體氣體傳感器的響應機理主要是氧離化模型(又稱Langmuir-Hinshelwood模型)，具體指的是半導體材料在空氣狀態(tài)下吸附環(huán)境中的氧氣分子，發(fā)生如下的反應(圖2)[2]

圖2 半導體氣體傳感器工作原理

這樣，在材料的表面電子的數量會減少，形成耗盡層。當外界的氣氛發(fā)生改變時，其他氣體分子會與吸附的氧負離子反應，將電子還給材料

此時，材料的電學狀態(tài)會發(fā)生改變，這個過程即是材料的氣敏響應。不同的敏感材料會吸附不同的氣氛，通過選擇合適的敏感材料可以實現對不同氣體的響應。

紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體體積分數與吸收強度關系來檢測氣體組分并確定其體積分數的氣體傳感裝置。不同的氣體分子由于其原子組成和分子結構不同，會吸收不同波段的紅外光譜，即該氣體分子的特征吸收譜線，同時，其吸收譜線的強度與氣體體積分數呈正相關，因此，可以通過確定吸收譜線的峰位與強度來確定檢測氣體的種類與體積分數。

非色散紅外(non-dispersive infrared，NDIR)光譜法氣體傳感器主要由光源、氣腔、濾光片與紅外探測器組成，光源提供寬譜的紅外光，待測氣體進入氣腔，濾光片將被氣體吸收后的紅外光過濾成特征波段的紅外光，采用紅外探測器來探測特征波段紅外光的強度(如圖3)。該特征峰的強度與濃度滿足朗伯—比爾(Lambert-Beer)定律：I=I0exp(-KLC)。因此,可以通過該公式計算得到待測氣體的體積分數。

圖3 紅外NDIR氣體傳感器原理

隨著微納加工技術的發(fā)展，半導體氣體傳感器與紅外氣體傳感器可實現更小尺寸的加工制造，實現陣列化集成，同時大幅降低尺寸與功耗。陣列氣敏元件配合深度學習技術，可以完成復雜環(huán)境中的氣氛精確識別，非常適合車內氣氛的監(jiān)測。

2 汽車尾氣監(jiān)測用氣體傳感器研究與應用

1976年,德國博世公司率先成功實現YSZ氧傳感器的批量生產并用于發(fā)動機空燃比控制，取得了巨大的經濟與社會效益。20世紀90年代，博世公司將氧傳感器的制備工藝進行升級，結合絲網印刷工藝完成平板式YSZ氧傳感器制備與量產，進一步鞏固了其領先地位。

隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，為了進一步提高燃料利用效率，越來越多的發(fā)動機選擇缸內直噴與缸內分層燃燒技術，這些技術要求發(fā)動機工作在稀薄燃燒區(qū)域中(即空氣過剩，典型空燃比為22)，同時需要精確控制空燃比。傳統(tǒng)的基于YSZ濃差電池型氧傳感器在此區(qū)域靈敏度顯著降低，無法勝任。為了實現對稀薄燃燒區(qū)的空燃比的精確控制，在氧化鋯濃差電池型的基礎上，研制了極限電流型與寬域型氧傳感器。這兩種氧傳感器結合氧泵原理與氧濃差電池原理，實現對更大范圍的氧分壓變化的測量[3]。另一方面，當發(fā)動機工作在稀薄燃燒區(qū)中，過量的氮氣會與氧氣在高溫下反應生成氮氧化物，對環(huán)境產生污染。在汽車尾氣處理中，會選用三元催化劑將氮氧化物催化反應成氮氣再排放到空氣中。隨著汽車排放要求的日益嚴格，為了更好地控制氮氧化物催化反應的過程，在汽車尾氣排放中也需要相應傳感器來實時監(jiān)測氮氧化物的體積分數?；赯rO2基氧傳感器的成功應用，開發(fā)出了混成電位型氮氧化物傳感器。該傳感器選用能與氮氧化物反應的金屬氧化物材料作為敏感電極，配合金屬Pt參比電極，比較敏感電極與參比電極的電勢差即可推算出氮氧化物體積分數[4]。根據目前汽車尾氣排放的要求，在發(fā)動機總成系統(tǒng)中，至少需要1只氧傳感器與1只氮氧化物傳感器。

由于國內汽車行業(yè)起步較晚，核心發(fā)動機總成一直依賴進口，因此，在前裝市場中，國內在發(fā)動機總成中一直使用德國博世公司與日本電裝、NGK公司的氧傳感器與氮氧化物傳感器。隨著國內汽車保有量持續(xù)的增加，國產化程度持續(xù)深入，國產氧傳感器與氮氧化物傳感器在前裝與維保市場中有巨大的市場。寧波大學簡家文教授課題組一直從事氧化鋯基氧傳感器的研究，研發(fā)出一系列片式極限電流型、寬域型氧傳感器，并成功應用于汽車后裝、維修配件市場[5,6]。吉林大學盧革宇教授團隊一直致力于混成電位傳感器的研究，包括敏感電極材料與整體結構，開發(fā)出了一系列金屬氧化物材料作為敏感電極，提升了混成電位傳感器的性能[7,8]。

3 車內環(huán)境監(jiān)測用氣體傳感器研究與應用

氮氧化物會對人類身體健康產生重大的影響，如產生神經退行性疾病、肺氣腫、支氣管炎等呼吸道疾病，車廂內氮氧化物主要來源于發(fā)動機廢氣。但在尾氣檢測中采用的混成電位傳感器無法在車廂中使用。因為，該傳感器需要工作在600 ℃，車廂中電源無法提供如此高的能耗，同時，在車廂中氮氧化物體積分數一般低于發(fā)動機尾氣中，該類型傳感器無法檢測低體積分數的氮氧化物的變化。由于氮氧化物具有一定的極性，半導體氣體傳感器會對其有較好的響應。但傳統(tǒng)金屬氧化物半導體(ZnO、SnO2等)仍需要一定溫度激活(300～400 ℃)才能與之響應，且響應恢復時間達到分鐘級別，仍然無法在該場景使用。華中科技大學劉歡教授課題組采用膠體量子點無機配體置換策略，制備了具備室溫響應的量子點硫化鉛氮氧化物傳感器，根據膠體量子點表面活性高的特點，實現了在室溫條件下對氮氧化物的高響應。該傳感器對體積分數為50×10-6的NO2的響應達到21，同時具有快速的響應與恢復(小于30 s)，檢測限低至84×10-9[9]。該量子點氮氧化物傳感器可以顯著降低傳感器功耗，滿足車載應用要求。

飲酒駕駛會造成嚴重的安全隱患，在車廂內對酒精(乙醇)的檢測具有重要的意義。乙醇也具有一定極性,半導體傳感器會對其有較好的響應。市面上已有較多的乙醇傳感器投入使用，但大多數乙醇傳感器性能會隨著濕度變化而發(fā)生漂移。在酒駕監(jiān)控應用中，由于人體呼出氣中有較多的水分，無法使用傳統(tǒng)的乙醇傳感器。如何能消除測試中水分的干擾是實現該應用的關鍵。韓國高麗大學Lee J H 課題組研發(fā)了PbTiO3鈣鈦礦型乙醇氣體傳感器，利用該鈣鈦礦材料的特殊形貌與性能，實現了在20 %～80 %RH濕度環(huán)境下對乙醇氣體的響應保持恒定，同時，檢測下限達100×10-9，滿足酒駕監(jiān)測的要求[10]。

長時間使用空調內循環(huán)系統(tǒng)會使得CO2氣體積累，當CO2體積分數達到2 %時，會出現頭暈、頭痛、肌肉無力、全身酸軟等不適之感，危害駕乘人員的身體健康，引發(fā)行車事故。CO2是惰性氣體，在常溫下一般不與敏感材料發(fā)生反應。采用傳統(tǒng)的化學測量的方法較難準確測定其體積分數。而CO2在4.2 μm紅外光譜范圍內存在特征吸收峰，因此采用紅外NDIR傳感器來檢測CO2具有獨特的優(yōu)勢。但傳統(tǒng)的NDIR傳感器由于尺寸較大，無法在車廂內集成。隨著微納技術的發(fā)展，采用半導體光源與微機電系統(tǒng)(MEMS)技術制備的微型氣腔與探測器，使得NDIR氣體傳感器的尺寸大幅縮小。英國GSS公司開發(fā)的NDIR CO2傳感器尺寸已縮小至2 cm，精度可達70×10-6，已滿足車載使用要求[11]。

汽車車廂環(huán)境監(jiān)測任務復雜，傳統(tǒng)金屬氧化物半導體敏感材料難以勝任，需開發(fā)基于量子點、鈣鈦礦等多種高性能敏感材料。同時，汽車車廂空間有限，且供電受限，要求氣體傳感器具有微型化、低功耗的特點。借助于微納加工技術的發(fā)展，通過優(yōu)化結構設計，使得半導體傳感器與紅外NDIR傳感器尺寸功耗相對之前有大幅縮小。同時，車廂內探測氣體種類需求較多，單傳感器無法完成所有的氣體的檢測。在縮小尺寸的基礎上，需要將多只、多種傳感器集成在一起，形成傳感器陣列，獲得環(huán)境全方位的數據(氣體體積分數、溫、濕度等)，完成多種特定氣體的識別。目前，德國博世公司和瑞士Sensirion公司已開發(fā)出集成4種半導體氣體傳感器與溫、濕度傳感器的氣敏陣列模組，用于環(huán)境污染物監(jiān)測[12,13]。下一步，研發(fā)新型高性能敏感材料、異質集成多種傳感器形成陣列、融合深度學習等人工智能技術實現對生物嗅覺系統(tǒng)的模擬，完成智能人工嗅覺系統(tǒng)構建，可實現對車廂復雜環(huán)境中不同氣氛的精準識別，為營造舒適駕乘環(huán)境，保障行車安全提供支持。

4 新能源汽車用氫氣傳感器研究與應用

氫能被公認為最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝娲履茉?，具有能量密度大、轉化效率高、儲量豐富和適用范圍廣等特點，可實現零排放，氫燃料電池汽車是人們寄予希望邁入“氫能時代”的突破口。國內也在氫能源汽車上實施了一系列促進政策。另一方面，氫氣是一種無色無味的易燃性氣體，空氣中體積分數為4.1 %～74.8 %時,極易引爆，帶來一定的安全隱患。因此，在氫能源汽車中急需快速響應的氫氣傳感器來監(jiān)測儲氫罐泄漏，以便及時切斷儲氫罐氫氣供應，保障氫能汽車的安全。傳統(tǒng)的催化燃燒式傳感器已無法滿足氫能源汽車的使用要求。催化燃燒式傳感器是依據可燃氣體催化燃燒產生熱效應的原理進行檢測，其傳感器需要工作溫度在400 ℃以上，不僅功耗較高，而且，當氫氣泄漏體積分數較大時，會存在安全隱患，同時，該類傳感器對各類可燃氣體(例如碳氫化合物和一氧化碳)都十分敏感，導致選擇性不足。

貴金屬材料對于氫氣有獨特的催化性能，傳統(tǒng)催化燃燒式傳感器也采用貴金屬做敏感材料，貴金屬與氫氣之間的催化反應同樣會引起材料的電子得失。但在常溫或低溫下，該反應較弱，采用傳統(tǒng)對電極方式測試時信號較小，無法完成檢測。場效應管(field effect transistor,FET)式氣體傳感器是采用場效應管作為轉換器件，敏感材料作為修飾柵極，利用場效應管的電場調制效應進行氣敏測試。敏感材料在與氣體進行反應后，場效應管的半導體電學特性(電導率、載流子濃度、遷移率、閾值電壓等)會隨著氣體體積分數發(fā)生變化。FET型氫氣傳感器采用金屬鈀作為柵極，利用鈀的催化作用使氫氣分子電離引起鈀的功函數發(fā)生相應改變來獲取氫氣體積分數信息(圖4)。采用該器件結構時，敏感材料上微弱電信號的改變可以通過場效應管進行放大，特別適合于低溫及微量體積分數氣體的檢測。韓國高等科學技術研究院Inkyu Park課題組采用Pd敏化的Si納米線作為柵極實現了在室溫對體積分數為0.1 %氫氣的檢測，響應度達到2.5[14]，美國加州大學河濱分校Myung課題組采用Pd敏化單壁碳納米管作為柵極實現了在室溫對于體積分數為500×10-6氫氣的檢測，響應度達到1.13[15]?？梢钥闯?，FET氫氣傳感器由于具有獨特的電流調制效應和放大效應，在精度和檢測限等方面具有明顯優(yōu)勢，適合于氫能源汽車中的應用。

圖4 FET頂柵型氣體傳感器結構示意

5 總結與展望

隨著人工智能技術持續(xù)創(chuàng)新和與經濟社會深度融合，人工智能產業(yè)已上升為國家戰(zhàn)略，智能傳感器正成為各個發(fā)達國家競相角逐的技術高點之一。國務院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“發(fā)展支撐新一代物聯網的高靈敏度、高可靠性智能傳感器件和芯片”。汽車智能化程度進一步提高，車載氣體傳感器將在動力系統(tǒng)監(jiān)測與車廂環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮巨大的作用。在動力系統(tǒng)監(jiān)測中，根據路面狀況與行駛動態(tài)，實時監(jiān)測燃燒過程，精確控制空燃比，降低污染排放；或是監(jiān)控氫氣泄漏狀況，提高氫能源汽車安全性。在車廂環(huán)境監(jiān)測中，實時監(jiān)測車廂中污染物和二氧化碳體積分數，合理控制空調系統(tǒng)運作，營造舒適的駕乘環(huán)境，保障安全行車。國內在高性能敏感材料與氣體傳感器陣列集成化制造領域陸續(xù)開始布局，希望通過國家計劃的布置與牽引，實現國內在氣體傳感器領域的進步，為氣體傳感器在汽車領域中的全面應用打下堅實的基礎。