便携式气体检测设备现状及发展

谭畅舒 李艳 杜进桥 陈星霖 张振杰 李秋桐 张顺平 郭新＊

1. 深圳供电局有限公司，广东深圳 518005；

2. 华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430074

0 前言

伴随着新一轮产业升级和技术革命的兴起，人类社会正行走在技术设备不断迭代、生活方式不断改变、新兴需求不断催生的快车道上。在“万物互联”的大背景下，便携式智能设备逐渐成为了用户的个人数据中心和信息节点。大量涌现的便携式智能设备每天都在生产着海量的信息，这些信息每分每秒通过发达的4G、5G高速信息网络服务我们的生活，惠及经济发展，而多种多样的传感器作为电子设备生产信息最重要的途径[1]，也成为信息技术领域不可或缺的一环。电子设备所集成的传感器是多种多样的，以智能手机为例[2-3]，重力传感器、位移传感器、视觉传感器、温度传感器和听觉传感器等的集成令其具备了强大的功能，进而赋予了智能手机在通讯、娱乐、个人健康管理、公共安全、环境检测，甚至是食品检测方面的重要能力[4]。

相比传统概念中人的五感——形、声、闻、味、触[5]，手机所能模仿的人类感官已经包括视觉（摄像头）、触觉（触摸屏）、听觉（话筒与语音识别）等，唯独缺乏对气味识别分析的“闻”与“味”[6]，这成为便携式电子设备功能上的一大缺失。然而，人们不断上升的环保意识和对生活品质的追求推动着便携式电子设备新功能的拓展，为便携式电子设备赋予气味识别功能自然成为重点突破对象。具有气体和气味识别功能的便携式电子设备具有广泛的潜在应用场景，例如：大气质量监测[7]、家居环境空气质量分析[8]；通过呼吸气体组分检测进行疾病早期预警[9]；VR气味模拟和为嗅觉障碍患者提供嗅觉辅助等。考虑到便携式电子设备局促的空间、有限的电池容量和较高的人机交互、信息传输需求，人们迫切需要一种小型、高集成度、低能耗且安全的气体检测设备[10]。本文综述了人们在气体检测设备的小型化、集成化和信息化方面所进行的努力，梳理了近年来的研究进展，以期为相关研究提供新的启发与思路。

1 气体检测设备的便携化进程

人们已经开发出了多种气体和气味检测手段，包括基于各种检测原理和敏感材料的气相色谱（Gas Chromatography，GC）、电子鼻等。

1.1 气相色谱

自1952年被发明以来[11]，气相色谱（GC）就成为了一种重要的气体检测手段，这种检测方法最大的优势在于检测精度高、物质识别率高，能够对复杂组分样品进行定量分析[12]。得益于这种特性，GC成为了食品检测[12-13]、环境气体分析等领域的重要设备。例如，在LIU J等人[13]对鸡肉烹饪风味的研究中，GC与电子鼻联用可以对约40种化合物进行定量分析，鸡胸肉烹饪中鲜味、苦味形成的化学机理与反应机理也因此得以进一步揭示。然而，传统GC设备过大的体积、重量和过于严格的使用条件将其应用场所限制在了实验室[14]。为了进一步满足便携性的要求，人们在尽可能保留气相色谱性能优势的同时，对其作了诸多小型化尝试。GARG A等人[15]设计并制造了如图1（a）所示的微型GC——Zebra GC，该设备整体重量约1.8 kg，体积为30 cm×15 cm×10 cm。WANG J等人[16]设计了如图1（b）所示的腰挂式GC——PEMM-2，进一步缩小了尺寸，体积为20 cm×15 cm×9 cm，重量约2.1 kg（包括电池）。上述设备检测精度较为接近，针对有机挥发性气体（Volatile Organic Compounds，VOCs）的检测精度均达到10-9（part per billion, ppb）级。为了满足便携式气体分析设备的需求，一些生产商也推出了自己的微型GC产品[19]，解决了部分研究型工作需要现场采样并分析气体成分的难题，如Agilent推出的490/990型便携色谱仪（图1（c））[17-18]和pine推出的Frog 4000（图1（d））[21]。

然而，受限于自身的检测原理、采样方式和成本等因素，微型GC仍然存在许多难以克服的缺陷：

（1）安全性欠缺：一些配备氢火焰离子化检测器[20]的GC设备需要氢气源和高温检测条件，对检测的安全性提出了挑战；

（2）小型化困难：系统复杂性限制了小型化潜力，整体可集成性较差；

（3）信息化不足：许多GC设备依赖连接计算机进行人机交互；

（4）采样复杂：大部分设备均需要使用专用采样管人工采样、进样，难以满足即时测试的要求；

（5）使用成本高：GC设备的采购，乃至使用、维护都需要付出较高的经济或学习成本，对使用者自身素质也提出了较高要求。

上述缺陷将GC的应用限制在研究型工作领域，GC设备的集成也是相对比较困难。表1列举了近期GC设备的小型化工作。

表 1 GC小型化工作及产品汇总

1.2 电子鼻

19世纪后，随着人类工业进程的加速，对危险气体检测的需求也进一步提升[24]。工厂、矿井等危险场所往往需要布设大量不需要长期培训和精密维护就能够正常使用的气体检测设备[25]，因此，人们开始了电子鼻的设计研究。作为一种模仿人类嗅觉，能够识别单一气体或多种气体混合物，并输出气体“指纹”信息的测量设备，电子鼻不仅能识别气味，还进一步拓展了检测范围，也能够对无色无味的有害气体进行检测[26-28]。电子鼻的核心是气体传感器，通过安装特定的气体传感器，配合后端数据处理系统，电子鼻识别不同类型的组分，而不同类型的气体传感器则会赋予电子鼻不同的功能用以对应不同的需求。目前，用于电子鼻且最具有代表性的气体传感器是日本费加罗公司的TGS系列[29]、瑞士盛思锐公司的SFA、SGP系列[30]等。

电子鼻的雏形早在1815年就已出现[31]，人类开始使用安全矿灯代替小动物（如金丝雀）用于矿井空气安全指示，如图2（a）所示。在随后的20世纪，矿井和油田的可燃气体检测一直是牵引早期电子鼻研究的重要需求来源[34]。20世纪末，随着日本液化气普及带来的煤气事故数量增加，家用液化气泄露预警为电子鼻提供了新的应用场景。面对矿井、工厂、厨房等缺少专业维护且无法承担高额检测费用的场所，人们设计了基于催化燃烧[35]、金属氧化物半导体[36]等检测原理的“傻瓜式”燃气报警器，其基本原理和器件构型一直沿用至今。

进入21世纪后，随着技术的发展和潜在应用场景的飞速增加，大量电子鼻和气体传感器相关的应用及实验室产品应运而生，便携、智能和多用途逐渐代替廉价、简单，成为了电子鼻研发的主要方向。LIU H等人[32]设计了一种基于TGS传感器阵列的电子鼻，对不同品牌、年份和工艺方法的葡萄酒进行检测，如图2（b）所示。6个TGS传感器和数据采集装置都被集成在一块5 cm×5 cm的PCB板上，附带气路、电源与数据处理模块的整体尺寸约20 cm×20 cm，需要连接计算机使用。TIAN F C等人[33]设计了一款不需要外接计算机的电子鼻，以8个商用气体传感器组成气体传感模块，成功实现了车内有害气体的检测，其外观如图2（c）所示。该电子鼻尺寸约20 cm×20 cm，能够满足车内狭小空间的长期测试要求。目前的电子鼻一定程度上实现了便携，且配合算法与传感器阵列[37]，多用途能力已经大幅度增强，实现了混合组分检测和机器学习功能。表2汇总了近期电子鼻相关研究。

表 2 电子鼻研究和产品汇总

然而，目前电子鼻的尺寸、能耗和可集成性等参数依然不能满足人们为手机等便携式电子设备赋予气体检测功能的目标，特别是传感器阵列的构建依然需要占据相当的空间。在电子鼻领域，集成有关的技术难题依然存在：

（1）封装不紧凑[42]：如图2（d）所示，以TGS 2600型的TO5封装为例，这种封装相比其他形式的封装（TGS 8100）会造成大量空间浪费；

（2）工作温度高[43]：许多气体传感器需要在高温下（150～500 ℃）工作，这不仅会影响集成电路系统中电子元器件的正常工作，也会提高电子设备的能耗，降低电池的续航能力，对便携设备极为不利；

（3）信号类型不匹配：目前，多数气体传感器都直接输出模拟信号，需要由专门的模块将其转为数字信号才能与电子设备相匹配。

2 便携式气体检测设备的发展趋势

近十年来，便携式电子设备呈现出跨越式发展。人们希望将气体检测设备集成于手机、手表等电子设备上，针对生活环境和人自身呼出气体进行检测。目前，苹果等公司都已经针对此类技术进行布局，申请了一些相关专利。由于便携式电子设备内部空间狭小，电量有限，提高集成度和降低能耗已经成为当下最需要攻克的技术难点。为此，气体传感器在未来需要克服以下几个难点。

2.1 降低工作温度

目前常用的气体传感器几乎都面临集成困难的问题，最大技术难点之一就是工作温度高。市面上的主流产品工作温度几乎都在150～500 ℃左右，这样的工作温度不仅会影响集成电路系统中电子元器件的正常工作，也会提高电子设备的能耗，降低电池的续航能力，这对依靠电池供电的便携式电子设备来说是无法接受的。此外，在锂电池附近集成高温元器件的做法也会造成潜在的电池爆燃风险。为应对这一难题，人们提出了多种解决路径，例如：利用光能代替热激发传感器，降低传感器工作温度，运用其他检测原理回避高温工作环境。LIU Y等人[44]报道了一种使用可见光激发的WO3/CuWO4基室温气体传感器，成功实现了对数十ppb浓度NO2的检测。WANG S等人[45]通过制备Au修饰的SnO2厚膜，成功将传感器工作温度降低到83 ℃，对热激发气体传感器低温工作有一定的借鉴意义。总体而言，若想成功解决气体传感器的集成难题，人们还需要在低温、低能耗器件的设计制备方面进行更多研究，探索更加成熟、稳定的器件结构和工艺方法。

2.2 改善制备工艺

随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）和纳机电系统（Nano-Electro-Mechanical System，NEMS）工艺的出现和成熟，气体传感器得以进一步小型化，在减小体积的同时也能够降低能耗。MIN Y等人[46]在2003年就开发出基于MEMS工艺的气体传感器，如图3（a）所示，硅基底上集成的2×2 ZnO基气体传感器阵列整体尺寸只有3 m×3 mm，并能够实现对多种气体的检测。商业化产品中亦有MEMS器件出现，最具代表性的是盛思锐公司，其全系列产品几乎都为MEMS器件。

2.3 开发柔性器件

具有柔性的检测设备能够更好地贴合人体，集成在如智能手表、手环、眼镜等异形器件上，进而提升气体检测针对特定人群和职业的专业化、定制化服务能力。人们通常使用聚合物、水凝胶等柔性基底实现此项能力。WANG X等人[47]报道了一种使用透明聚酰亚胺基底的In2O3基室温气体传感器，器件示意图如图3（b）所示，在手机屏幕光的激发下，能实现对ppb级气体浓度的响应。

2.4 加强智能化、信息化能力

将气体检测设备与算法合理搭配能够显著提升其气味识别和气体识别能力。CASEY J G等人[48]利用人工神经网络对石油天然气工业常用的气体传感器进行了现场校准，并分析了不同算法下校准结果的差异。使用算法对气体传感器数据进行优化和识别，能够一定程度上改善气体传感器选择性不佳和长期测试中的零点漂移问题。气体检测设备的信息化能力建构也是人们关心的问题之一。SONG Z等人[37]设计并制备了一种基于纳米结构的集成式自供电家用气体传感器系统，如图3（c）所示，该系统在使用纳米结构实现了极低浓度（ppb级）有害气体检测的同时，使用光能电池配合室内光照为4×4室温气体传感器阵列供能，并利用蓝牙将检测结果发送至手机App端，首次同时实现了气体传感器系统的自供电和信息化。

3 总结与展望

便携式气体检测设备经过一个世纪的发展，已经由实验室精密分析转向家庭商业应用，由大型设备向小型化转变，由单一功能向多用途进化。目前，便携式气体检测设备已经基本解决了器件的安全性、成本控制、可靠性和大规模生产问题，人们得以进一步考虑其在信息化产业中所能担负的更多功能。便携式气体检测设备已经初步实现了便携化和智能化的设想，但仍然在能耗控制、器件集成和工作温度降低等方面存在一定的问题。在可见的未来，通过替换激发能量源、改进制备工艺，新一代气体检测设备将更好地与算法相配合，完成复杂环境下的气体检测和气味识别，助力信息时代中满足人们更高质量生活的美好愿望。