微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器應(yīng)用空間可行性分析

王 蘭，陳存廣，王玉江，李麗鵬，王 鐵

（1.哈爾濱中科盈江科技有限公司，哈爾濱 150028；2.中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，長春 130000；3.哈爾濱中慶燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，哈爾濱 150000）

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造成環(huán)境資源需求的提升，大量資源的耗損，必然會對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。近幾年，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出迅速發(fā)展的勢頭，物聯(lián)網(wǎng)具有資源消耗少、環(huán)境影響小等特點。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是傳感器。傳統(tǒng)的氣體傳感器由于功耗高、體積大、響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差及缺乏智能化功能，已經(jīng)越來越不能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求[1]。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，電子信息及智能設(shè)備對小體積、低功耗、高集成度及性能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件的需求越來越大。微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器由于其尺寸小、成本低、價格低廉、功耗低、靈敏度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點[2-3]，既可對石油化工、金屬冶煉和煤炭等生產(chǎn)或運輸中產(chǎn)生的危險氣體進(jìn)行監(jiān)測[4-5]，也可應(yīng)用于交通、畜牧養(yǎng)殖及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中，應(yīng)用空間大，市場前景好。

1 在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用空間

石油化工是我國的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。其以石油和天然氣為原料，給人類提供各種生活產(chǎn)品，與人們的生活密切相關(guān)。僅2021年一年，我國石油進(jìn)口量高達(dá)1.968億t。我國的原油（未被加工的石油）產(chǎn)量為19 898萬t。原油及其制品在開采、煉制、運輸和使用的過程中，會產(chǎn)生對環(huán)境有嚴(yán)重污染的物質(zhì)。在開采中產(chǎn)生的空氣污染物主要有2種：一是鉆井產(chǎn)生的廢氣，主要污染物是二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）和烴類。二是采油站廢氣，主要污染物是二氧化氮（NO2）、二氧化碳（CO2）和未燃盡的烴類。在煉制過程中，會排放大量的污水、廢氣和廢渣。污水可以采用深度水處理，廢渣可以回收利用，而廢氣需要先處理再排放，廢氣主要有一氧化碳（CO）、氯化氫、氮氧化物和SO2等，國家對每一種有毒有害廢氣的排放量都有一定的排放標(biāo)準(zhǔn)。原油在運輸中泄漏，不僅會對水和土壤造成污染，排放到大氣中的烴類氣體還會對空氣造成污染。眾所周知，碳、氫、氧、氮、硫及一些微量金屬元素如鎳、釩、鐵等是組成石油的主要化學(xué)元素[6]，而在一定條件下，這些元素會相互結(jié)合，形成硫化氫（H2S）、SO2、CO或各種具有揮發(fā)性的苯、醛和酮類等有毒有害的物質(zhì)，因此都需要配備相關(guān)氣體的檢測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，防止污染和中毒事件的發(fā)生。國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，2021年，中國天然氣產(chǎn)量、消費量和進(jìn)口量都較以往有所增長。隨著對天然氣的不斷開發(fā)，天然氣“全國一張網(wǎng)”骨架已初步形成，主干管網(wǎng)已覆蓋除西藏外全部省份，京津冀及周邊、中南部地區(qū)天然氣供應(yīng)能力進(jìn)一步提升[7]，對可燃?xì)怏w檢測設(shè)備的需求也大大增加。天然氣的主要成分是烷烴，烷烴中含量最多的成分是甲烷（CH4）。CH4是一種可燃性氣體，通常情況下比較穩(wěn)定，但與空氣混合至體積分?jǐn)?shù)為4.9%～16%時，遇火就會爆炸。我國天然氣用戶數(shù)量龐大，天然氣爆炸事件時有發(fā)生，因此，配備相應(yīng)的氣體傳感器勢在必行。目前，石油化工領(lǐng)域應(yīng)用最多的是紅外和電化學(xué)氣體傳感器，紅外氣體傳感器平均1臺的價格在2 000元左右，電化學(xué)氣體傳感器平均1臺的價格在700元左右，按年市場需求量約20萬臺計算，若使用平均1臺的價格在300元左右的微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器，每年可節(jié)省8 000～34 000萬元。由此可見，微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

2 在金屬冶煉領(lǐng)域的應(yīng)用空間

目前世界上有約86種金屬，通常分成2大類：黑色金屬和有色金屬。黑色金屬有鐵、錳和鉻3種，除了鐵、錳和鉻以外的其他金屬，都是有色金屬。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對金屬的需求量越來越大，金屬冶煉企業(yè)數(shù)不勝數(shù)，但在金屬冶煉過程中產(chǎn)生的廢氣數(shù)量也日益增加，環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重。我國是全球第一大鋼鐵生產(chǎn)國[8]，鋼鐵在冶煉過程中就會產(chǎn)生氮氧化物、SO2和CO等有毒氣體，一旦這些氣體在排放過程中泄漏或超標(biāo)，或操作和檢修人員對氣體危害認(rèn)識不足、防范不力，就會造成中毒事故。因此，在鋼鐵冶煉企業(yè)安裝常用的氣體檢測設(shè)備是非常必要的。在國家工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有色金屬特別是貴金屬有著極高的應(yīng)用價值。但是金屬礦石在冶煉過程中會伴有大量的廢氣產(chǎn)生，這些廢氣有著高污染性。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020年，有色金屬工業(yè)CO2的總排放量高約6.6億t，有色金屬冶煉行業(yè)已成為了我國對CO2氣體控制排放的重點行業(yè)之一。為了確保貴金屬資源持續(xù)健康的發(fā)展，國家對金屬冶煉行業(yè)提出了一系列的環(huán)保政策規(guī)范，社會各界也開始高度關(guān)注環(huán)境污染，環(huán)境污染也得到了相關(guān)企業(yè)的重視。由于金屬冶煉產(chǎn)生的氣體主要是CO2、硫化物、氮氧化物和CO等，所以常用的氣體傳感器也主要是以檢測其相對應(yīng)氣體的氣體傳感器。這些傳感器不僅可以檢測廢氣的排放濃度，也可以檢測工業(yè)場所是否有氣體泄漏，對安全生產(chǎn)提供了有力保障。目前，金屬冶煉領(lǐng)域常用的氣體傳感器是固定式的紅外或電化學(xué)氣體傳感器，由于在金屬冶煉的過程中會伴隨大量的廢渣、廢水及油煙，固定式的紅外或電化學(xué)氣體傳感器表面很容易受到污染，影響檢測精度。微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器體積小，便于攜帶，可檢測后帶離檢測區(qū)域，方便快捷。我國當(dāng)前金屬冶煉企業(yè)超過5 000家，按平均1家10臺計算，對氣體傳感器的需求量約為5萬臺。使用微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器每年可節(jié)省2 000～8 500萬元。由此可見，在金屬冶煉領(lǐng)域，微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器的市場空間巨大。

3 在煤炭領(lǐng)域的應(yīng)用空間

我國是以煤為主的能源生產(chǎn)消費結(jié)構(gòu)，煤炭是我國主體能源，在我國一次性能源生產(chǎn)和消費中均占70%左右。煤炭在開采中，會產(chǎn)生大量CH4，當(dāng)CH4和空氣的體積分?jǐn)?shù)比為5%～15%，遇火易發(fā)生爆炸。煤炭在加工利用過程中，會產(chǎn)生致癌、致畸變的多環(huán)芳烴類化合物苯并芘等。85%的煤炭是直接燃燒的，煤炭在燃燒中會排放大量的CO2、SO2、氮氧化物和有機(jī)氯化物。CO2、SO2和氮氧化物等氣體的大量排放，會破壞臭氧層，危害人類生存。尤其是SO2已多次在我國多地區(qū)形成酸雨，導(dǎo)致土壤酸化、農(nóng)作物減產(chǎn)及機(jī)械設(shè)施被腐蝕。有機(jī)氯化物的毒性與多環(huán)芳烴相差無幾，已被列為全球性主要污染物之一。如果煤炭燃燒不充分，會生成CO，尤其是在使用煤做飯取暖的地區(qū)，煤氣中毒事件時有發(fā)生，CO可與人體血液中的血紅蛋白結(jié)合，輕度CO中毒有頭痛、胸悶、惡心嘔吐和全身乏力等癥狀；中度CO中毒有意識模糊、雙腿麻木，甚至昏迷的癥狀；重度CO中毒會引發(fā)休克、腦水腫、心跳不規(guī)律，甚至死亡。若安裝氣體檢測設(shè)備，一旦檢測到氣體超標(biāo)，設(shè)備會發(fā)出蜂鳴聲報警，會減少不必要的傷亡。近期內(nèi)，煤炭在我國能源中的地位和作用不會改變[9]。煤炭是非可再生能源，煤炭產(chǎn)業(yè)是否能有序健康的發(fā)展，直接影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會大局的穩(wěn)定。雖然我國是世界最大煤礦安全儀器裝備國，但目前我國重點煤礦的安全問題仍然嚴(yán)峻，在煤礦開采過程中，為保證礦井的安全，每年氣體檢測設(shè)備的總需求量達(dá)100多萬臺。目前，煤炭領(lǐng)域使用最多的是催化燃燒氣體傳感器和電化學(xué)傳感器，催化燃燒氣體傳感器需要在有氧環(huán)境且氣體具有可燃性才可以使用，如不可以檢測CO2，有一定局限性。電化學(xué)傳感器的電解液多數(shù)是液體形態(tài)，高溫或高濕下電解液揮發(fā)或水解，導(dǎo)致電化學(xué)傳感器使用壽命短。微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器不僅可以有效地檢測CH4、SO2、CO2和CO等氣體，而且生產(chǎn)成本低，不僅適用于工業(yè)，也適用于民用氣體檢測的需求。由此可見，在煤炭領(lǐng)域，微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器市場空間巨大。

4 在交通領(lǐng)域的應(yīng)用空間

20世紀(jì)90年代前，城市大氣的主要污染源來自工業(yè)排放，但在90年代后，隨著機(jī)動車數(shù)量的快速增長，交通污染逐漸取代了工業(yè)排放污染，已成為城市乃至全球大氣環(huán)境主要污染源之一。汽車尾氣的主要污染氣體是CO、碳?xì)浠衔锖偷趸锏?。其中，CO會對人造成缺氧性傷害，危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)。氮氧化物指含氮元素和氧元素的化合物，其中的一氧化氮（NO）和NO2，是對人呼吸系統(tǒng)有害的氣體，會引起人中樞神經(jīng)閉塞或肺功能減弱。碳?xì)浠衔镏泻兄掳┑亩喹h(huán)芳烴，其和氮氧化合物在紫外線作用下，會產(chǎn)生一種光化學(xué)煙霧，刺激眼睛和上呼吸道粘膜。并且在一定條件下，CO、氮氧化物和碳?xì)浠衔飼l(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成對人體有危害的醛類、酮類等其他物質(zhì)。汽車尾氣中含有SO2，當(dāng)SO2溶于水后，會形成亞硫酸，導(dǎo)致酸雨的發(fā)生。據(jù)公安部統(tǒng)計，2021年全國機(jī)動車保有量達(dá)3.95億輛，其中汽車3.02億輛；機(jī)動車駕駛?cè)诉_(dá)4.81億人，其中汽車駕駛?cè)?.44億人。中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中高檔汽車產(chǎn)銷量占總量的20%，即中高檔汽車有6千萬輛。目前，發(fā)動機(jī)氣體濃度傳感器、氧氣傳感器、尾氣監(jiān)控傳感器和汽車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控傳感器等正在逐漸被導(dǎo)入中高檔汽車。按1輛汽車上裝配4只氣體傳感器來計算，中高檔汽車對氣體傳感器的總需求量約為2.4億只。汽車尾氣會污染大氣，但酒后駕駛會危及生命。隨著機(jī)動車及酒后駕駛?cè)藛T數(shù)量的增加，酒駕造成的交通事故頻繁發(fā)生，給人民的生命和財產(chǎn)造成了重大損失。國家針對酒駕也出臺了相關(guān)的規(guī)定和政策，制定了相應(yīng)的處罰標(biāo)準(zhǔn)。判斷酒駕最簡單快捷的方法就是使用酒精氣體傳感器對駕駛?cè)藛T呼出的氣體中酒精含量進(jìn)行檢測。酒精氣體傳感器正在各交警隊普及推廣。目前，交通領(lǐng)域應(yīng)用最多的是電化學(xué)氣體傳感器，電化學(xué)氣體傳感器使用壽命短，價格也高于微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器，因此，在交通領(lǐng)域，微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器市場空間巨大。

5 在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用空間

改革開放以來，畜牧養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，已成為了農(nóng)民脫貧致富的重要途徑和經(jīng)濟(jì)來源。但畜牧養(yǎng)殖業(yè)在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。眾所周知，CO2會引起溫室效應(yīng)，而動物簡單的呼吸就會產(chǎn)生大量的CO2，動物飼料的生產(chǎn)加工及動物產(chǎn)品在冷凍、處理和運輸過程中使用的化石燃料也會產(chǎn)生CO2，地球上每年養(yǎng)殖的禽畜動物有400~500億，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的排放量已超過了交通運輸業(yè)的CO2排放量；除了CO2會引起溫室效應(yīng)，化肥及動物糞便分解釋放的CH4也會引起溫室效應(yīng)，以20年來計算，CH4引起的溫室效應(yīng)比CO2強(qiáng)72倍。畜牧養(yǎng)殖中，一些大型畜牧養(yǎng)殖機(jī)構(gòu)會對動物的排泄物進(jìn)行集中處理，但一些散戶直接將排泄物排入環(huán)境中。排泄物發(fā)酵后會生成大量的氨氣（NH3）、H2S和糞臭素等有毒的氣體，這些氣體不但會污染周圍的環(huán)境，還會誘發(fā)動物自身產(chǎn)生疾病，甚至?xí)痧B(yǎng)殖場員工及周邊居民咳嗽、氣管炎等呼吸道疾病。在畜牧養(yǎng)殖過程中，要優(yōu)化畜牧養(yǎng)殖的環(huán)境，提高畜牧養(yǎng)殖水平。畜牧養(yǎng)殖環(huán)境包括兩方面，一是周圍環(huán)境是否對畜牧養(yǎng)殖場產(chǎn)生污染，二是畜牧養(yǎng)殖場自身產(chǎn)生的污染是否影響環(huán)境。無論從哪個方面考慮，在畜牧養(yǎng)殖場所安裝氣體傳感器，對空氣進(jìn)行實時監(jiān)測是很必要的。水產(chǎn)養(yǎng)殖的模式主要是圍網(wǎng)養(yǎng)殖和網(wǎng)箱養(yǎng)殖。養(yǎng)殖的質(zhì)量主要受水的含氧量、含氨量和水溫等方面的影響。水溫容易測得，而含氧量和含氨量需要氣體傳感器的檢測才能獲得。畜牧養(yǎng)殖對環(huán)境造成的污染問題，一直是國家環(huán)境治理的重點。通過智能化禽畜養(yǎng)殖管理，采集養(yǎng)殖的環(huán)境參數(shù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)去控制相應(yīng)設(shè)備，使養(yǎng)殖環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)，提升養(yǎng)殖水平。通過減少飼料攝入量、全密閉處理糞水、除臭固氮和減少碳排放等相關(guān)技術(shù)及措施，達(dá)到國家環(huán)保目標(biāo)。目前，畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用最多的是電化學(xué)氣體傳感器，而電化學(xué)氣體傳感器長期暴露在高濃度的氣體中，受發(fā)生催化劑中毒，發(fā)生誤報警或不報警現(xiàn)象，并且在高濕環(huán)境下受到的影響較大，微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器恢復(fù)快，受濕度影響較小。近年來，國家對畜牧養(yǎng)殖業(yè)出臺了一系列優(yōu)惠補(bǔ)貼政策，極大地調(diào)動了養(yǎng)殖戶的積極性，畜牧養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展給微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器提供了巨大的市場空間。

6 在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用空間

我國頒布了GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了環(huán)境空氣污染物的基本項目，項目內(nèi)容見表1，通過對不同區(qū)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，不僅可以了解該區(qū)域環(huán)境污染的程度，還可以針對污染程度采取有效的管理措施。

表1 我國環(huán)境空氣污染項目指標(biāo)

隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)和社會對環(huán)境質(zhì)量問題的高度重視，對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測勢在必行。對于地下車庫、冷庫和地下商場等一些封閉或半封閉的室內(nèi)空氣的質(zhì)量越來越受到關(guān)注。地下車庫若通風(fēng)換氣不好，汽車尾氣排放的CO、氮氧化物等聚集到一定濃度就會對人體產(chǎn)生危害。冷庫的大型制冷設(shè)備多用液氨，一座冷庫液氨儲量為5 t左右。液氨無色、有毒且易揮發(fā)。揮發(fā)后形成NH3，當(dāng)NH3在空氣的體積分?jǐn)?shù)為16%～25%，遇明火爆炸。高濃度的NH3可引起呼吸道疾病。地下商場中的CO2、CO和甲醛（HCHO）等氣體都會對人體造成危害。針對不同空間的不同氣體，可采用相應(yīng)的氣體傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測和報警，有效避免氣體濃度超標(biāo)造成的危害。2021年，我國冷庫容量已超過7 000萬t。1座冷庫安裝2只傳感器，共需傳感器約2 800萬只；地下車庫和地下商場數(shù)量龐大。環(huán)境污染的主要原因是大氣污染，大氣污染一是自然發(fā)展過程中產(chǎn)生的有害氣體，二是人為活動造成的污染，其中，人為活動造成的污染是大氣污染的主要來源，如工業(yè)廢氣、汽車尾氣、秸稈焚燒和煤炭取暖等都會產(chǎn)生有毒有害氣體。隨著環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的不斷健全與完善，越來越多的氣體傳感器被用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，2013年，中國環(huán)境保護(hù)部就頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)技術(shù)規(guī)范》，其中明確規(guī)定了建成區(qū)城市人口和建成區(qū)面積及最少監(jiān)測點數(shù)的關(guān)系，見表2。

表2 建成區(qū)城市人口和建成區(qū)面積及最少監(jiān)測點數(shù)的關(guān)系

按環(huán)保要求，需要監(jiān)測的氣體主要有CO、SO2、NO2和O34種，我國共有663個設(shè)市城市，平均每個城市安裝50個監(jiān)測點，1個監(jiān)測點需要傳感器至少4種，需要的氣體傳感器數(shù)量大于13萬只。目前，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用最多的是催化燃燒氣體傳感器和電化學(xué)氣體傳感器，催化燃燒氣體傳感器功耗大，氧濃度低的環(huán)境下監(jiān)測誤差大，電化學(xué)氣體傳感器受環(huán)境濕度和溫度影響較大。微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器不僅功耗低、受環(huán)境濕度影響小，而且價格低，僅按13萬只傳感器計算，可為國家節(jié)省約5 000萬元。由此可見，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，微型智能半導(dǎo)體氣體傳感器的市場空間也很大。

7 結(jié)束語

常見的氣體檢測設(shè)備按工作原理分有4種：紅外氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器和半導(dǎo)體氣體傳感器。紅外氣體傳感器的缺點是體積大，價格高；電化學(xué)氣體傳感器的主要缺點是受溫濕度影響較大、使用壽命短；催化燃燒氣體傳感器的主要缺點是工作溫度高、功耗大；半導(dǎo)體氣體傳感器價格低、體積小、功耗低、使用壽命長且受濕度影響小。并且做到了微型化、智能化。當(dāng)前氣體傳感器在我國相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域中的年市場容量驚人。低成本、低功耗、低檢測限及智能化的微型智能半導(dǎo)體氣體傳感具有廣泛的應(yīng)用空間。