气敏传感器在智能手表上的应用分析展望

2018-10-30徐伟杨丽钟飞邬治平

科技与创新 2018年20期

徐伟，杨丽，钟飞，邬治平

气敏传感器在智能手表上的应用分析展望

徐伟，杨丽，钟飞，邬治平

（依波精品（深圳）有限公司，广东深圳 518107）

随着智能手表的普及，智能手表的功能在逐渐增多。人体特征信息的测量也越来越受到关注，三星、苹果、华为等品牌的智能手表以心率、血压的测量功能作为卖点进行宣传出售。自古以来，中医就有“望闻问切”的治病方式，气味作为某种疾病的表征，也受到了一些气敏传感器研究学者的兴趣。如果将气敏传感器与智能手表结合，这将会对日常的疾病预判，尤其是一些特殊群体有较大的利处。其中，微电子机械系统（MEMS）技术为智能手表搭载气敏传感技术实现其微型化、智能化提供了可能。

智能手表；气敏传感器；MEMS；病症预判

1 气敏传感器的背景

气敏传感器是指对气体敏感的传感器，根据气体种类和浓度有关的信息，将置于环境中的气敏传感器的物质属性变化（比如电阻、电流、电压等）转换成电信号，这些电信号的强弱就表征了待测环境中气体的种类和浓度信息。

1931年，有学者P.Brauer发现吸附了水蒸气的电导率发生了变化；1948年，J.Gray发现CUO2薄膜的气敏性在200 ℃左右的温度才能发挥出来；1962年，T.Seiyama等人发现吸附了气体的半导体表面电阻发生变化，此后半导体气敏传感器开始飞速发展，至今都占据着气敏传感器市场领域的主要地位。随着研究的深入，Fe2O3、MgO、In2O3、TiO等氧化物以及钙钛矿复合氧化物材料的气敏性能也相继被发现，相应的新的制备工艺（比如纳米、薄膜等制备技术）以及掺杂技术等，都为实现气敏新型材料的制备创造了条件，为提高气敏原件的综合性能提供了可能。

2 气敏传感器的原理及分类介绍

针对气敏传感器的不同原理和检测对象，对气敏传感器进行了简单分类。

2.1 电阻式半导体气敏传感器

电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，比如二氧化锡、二氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸附了可燃气体，比如氢气、一氧化碳以及天然气等，发生氧化还原反应，放出热量，使元件温度升高，电阻值发生变化。另外，电阻式气敏传感器按照半导体与气体相互作用位置不同，可分为表面控制型和体控制型两大类，按照制造工艺不同又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型。

电阻式半导体气敏传感器在测试中电阻量变化明显，具有灵敏度高、成本低、响应时间短等特征，被广泛应用。

2.2 非电阻式半导体气敏传感器

非电阻式半导体气敏传感器利用气敏元件吸附和反应时引起的PN结或场效应管功能参数变化来实现气体的检测。常见类型有金属-半导体结二级管型、MOS二极管型、MOSFET气体型。非电阻式气敏传感器的主要特点是灵敏度高，常用于可燃防爆检测、有毒有害气体检测等。

2.3 固体电解质式气敏传感器

以固体电解质作为气敏材料的化学电池，固体电解质在与被测气体接触时出现离子，引起电势差，电势差的大小与气体的浓度之间存在一定的函数关系。该传感器的高灵敏度，受环境温湿度影响小，广泛应用于环保、能源、矿业、交通等各大领域。

2.4 接触燃烧式气敏传感器

被测可燃性气体在气敏元件表面氧化燃烧，或在催化剂的作用下氧化燃烧，金属电极接收燃烧热后，导致电极的阻值变化，阻值的变化量正好反映了气体的浓度。这种传感器在石化、厨房、隧井等场所被广泛应用。

2.5 电化学式气敏传感器

电化学传感器是通过电化学氧化或还原被测气体，进而确定气体的成分及浓度的探测器。常用的传感器有伽伐尼电池式气敏传感器和恒定点位电解池式气敏传感器。电化学气敏传感器小巧轻便、响应时间短、检测精确，还能进行实时和连续检测，因此使用领域十分广泛，在化学工业、矿物开采、军事方面的安全检测、环保检测、生产过程等都有较好的运用。

3 气敏传感器在智能手表上的实现架构

随着微电子机械系统（MEMS）技术的发展，低功耗、高稳定性、小型集成化的气敏传感器的发展也成为了可能。基于MEMS技术和工艺实现传感器微型化，检测时加热部件可维持检测部件和气敏部件所需要的温度，实现敏感材料和被测气体的物化反应，引发的电信号就能表征气体的种类和浓度。

智能手表随着物联网时代的到来，在人体特征信号（比如心率，血压，睡眠质量）等技术上实现不断突破。如果能实现气味的检测（气敏传感器的应用），用来实现人的身体健康情况监测，这将丰富智能手表的功能。

气敏智能手表硬件结构图如图1所示。在该硬件结构图中，加热板对气敏传感器加热到一定的温度，这个过程是SOC（System on chip）模块对其检测控制，进行一个闭环的反馈控制，保证气敏传感器处于最佳监测温度；同时，气敏传感器采集到的检测信号，通过调制，A/D转换后，送到SOC模块进行计算处理，进行被测气体的种类和浓度识别、显示，并将相关的数据存储在扩充存储器中。

图1 智能手表硬件结构图

软件实现方面如图2所示，通过系统初始化，进行按键循环扫描，对菜单进行功能性选择并测量数据，在数据处理过程后进行指令的下达，对计算的结果数据进行显示，并进行相关的通信控制。

4 气敏传感器的医学应用与展望

人体在正常生理情况下各个器官功能正常，不会产生异常气味。而当某些部位发生异常或者病变后，就会在体味、口鼻之气、痰涕、呕吐物、二便及经带等气味上有所体现[5]。利用气敏传感器对人体散发的有关信息进行收集测试，患者散发特殊的气体也将作为其病症判断的一种依据，对其健康进行初步预判，能及早提醒患者做好防范措施。

随着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，针对糖尿病的诊断，一般通过抽血来监测血糖浓度判断病情，这种有创、有痛式的检测手段在很多情况下不是很方便，而糖尿病患者的丙酮气敏检测可以实现糖尿病的无创、无痛检测[6]。