中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
FaradaIC Sensors是一家年輕的德國創(chuàng)業(yè)公司，總部位于柏林，并在勃蘭登堡和塞爾維亞設(shè)有實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過20多年的聯(lián)合研究，兩位創(chuàng)始人Ryan Guterman博士和Alexey Yakushenko博士首次成功制造并實(shí)現(xiàn)了一種用于氣體傳感器的電解質(zhì)，這種電解質(zhì)由固體組成，因此在生產(chǎn)中具有許多優(yōu)勢。
如今，MEMS傳感器已經(jīng)無處不在。FaradaIC開發(fā)的基于微型電化學(xué)系統(tǒng)（Micro-Electro-Chemical-Systems, MECS）的新型氣體傳感器，能夠賦能許多全新的應(yīng)用，滿足市場對(duì)低成本、微型化氣體傳感器日益增長的需求。
FaradaIC開發(fā)的MECS氣體傳感器（右）比當(dāng)前市售電化學(xué)傳感器（左）小幾個(gè)數(shù)量級(jí)
電化學(xué)氣體傳感器利用電極上的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電化學(xué)傳感器中的電解質(zhì)是關(guān)鍵要素之一，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)離子導(dǎo)電，支持電化學(xué)反應(yīng)。迄今為止，氣體傳感器中的電解質(zhì)一直是液態(tài)的，這就是為什么這類傳感器的制造成本高昂，設(shè)計(jì)尺寸相對(duì)較大，并且，在首次校準(zhǔn)后即使不使用，也只有約1~3年的有限保質(zhì)期。
FaradaIC開發(fā)的新型MECS氣體傳感器可以在傳統(tǒng)MEMS代工廠經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)，即使在85℃的高溫下，其電解質(zhì)也不會(huì)變干，模擬輸出的傳感器尺寸僅約2 mm x 2 mm，而且速度非常快。
FaradaIC采用MECS技術(shù)的微型電化學(xué)傳感器主要結(jié)構(gòu)
基于MECS技術(shù)的氣體傳感器的主要元件與傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器相似，只是設(shè)計(jì)上要小得多，而且可以采用MEMS工藝制造：
- 工作電極：該電極是被分析物發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的位置。它通常涂有催化劑，以促進(jìn)被分析物的特定反應(yīng)。
- 參比電極：該電極提供一個(gè)與工作電極相對(duì)應(yīng)的恒定電位，對(duì)于準(zhǔn)確測量電化學(xué)電位至關(guān)重要。
- 對(duì)電極：該電極閉合電路，允許電流通過傳感器。它通過執(zhí)行與工作電極相反的反應(yīng)來促進(jìn)反應(yīng)。
- 電解質(zhì)：電解質(zhì)在電極之間傳導(dǎo)離子，提供發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)。迄今，電解質(zhì)通常采用水溶液（如氯化鉀）、有機(jī)溶液或固體電解質(zhì)，并且生產(chǎn)和加工都很復(fù)雜。
憑借FaradaIC開發(fā)的新材料，電化學(xué)傳感器的體積大大縮小，并可通過自動(dòng)化工藝大批量生產(chǎn)。除尺寸外，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，F(xiàn)aradaIC開發(fā)的MECS氣體傳感器還有其它優(yōu)勢，如下圖所示。
FaradaIC開發(fā)的MECS氣體傳感器對(duì)比傳統(tǒng)技術(shù)
目前，可以用電化學(xué)傳感器檢測的所有氣體原則上都可以用FaradaIC開發(fā)的MECS氣體傳感器測量。FaradaIC的開發(fā)人員目前正專注于測量不同濃度范圍和不同應(yīng)用中的氧氣。
氧氣是一種重要的氣體，對(duì)大多數(shù)生物的生存至關(guān)重要。此外，氧氣在生物系統(tǒng)的細(xì)胞呼吸中發(fā)揮著核心作用，細(xì)胞呼吸是細(xì)胞從營養(yǎng)物質(zhì)中獲取能量的過程。因此，充足的氧氣水平對(duì)維持舒適和健康至關(guān)重要。此外，氧氣在金屬加工和化學(xué)合成等許多工業(yè)過程中也是不可或缺的。室內(nèi)氧氣含量會(huì)受到通風(fēng)、居住、燃燒及其他因素的影響。在通風(fēng)良好的室內(nèi)，氧氣含量通常保持在21%左右，而在通風(fēng)不良、擁擠或燃燒密集的室內(nèi)，氧氣含量則會(huì)下降。
氧氣含量低于19.5%時(shí)，被認(rèn)為對(duì)人體健康有潛在危害。在食品包裝中，天然氮的含量可從78%提高到90%以上，從而將氧氣濃度降至10%以下。在此條件下，細(xì)胞呼吸減慢，新鮮食品的保質(zhì)期隨之延長。
因此，在我們的環(huán)境空氣、室內(nèi)空氣、保護(hù)氣氛以及許多其它應(yīng)用中監(jiān)測氧氣的含量非常重要。
以往的氧氣傳感器通常耗電量大、體積大，而且保質(zhì)期有限，無法整合到食品包裝中。通過利用MECS技術(shù)，制造商可以開發(fā)微型化、便攜、電池供電、使用壽命長的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)氣體傳感技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。除了保鮮狀態(tài)檢測，利用MECS技術(shù)的氧氣傳感器還可以從包裝食品中獲取數(shù)據(jù)，以預(yù)測保質(zhì)期并確定最佳銷售時(shí)間。
食品物流中的新鮮度監(jiān)控
此外，將物聯(lián)網(wǎng)器件集成到安全及個(gè)人防護(hù)設(shè)備中，還有助于大幅提高安全標(biāo)準(zhǔn)，尤其對(duì)于存在潛在危險(xiǎn)氣體的環(huán)境。嵌入到物聯(lián)網(wǎng)個(gè)人防護(hù)設(shè)備中的氧氣傳感器能夠?qū)ρ鯕鉂舛冗M(jìn)行持續(xù)、精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這些傳感器可以及早發(fā)現(xiàn)缺氧等危險(xiǎn)情況，并立即向佩戴者或中央監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。這不僅能提高礦井或化工廠等危險(xiǎn)環(huán)境中工人的安全，還能更快地應(yīng)對(duì)緊急情況。通過連接這些設(shè)備，可以收集并分析數(shù)據(jù)，制定預(yù)防措施，提高整體安全性。
利用MECS氣體傳感器進(jìn)行呼吸分析
帶有氧氣測量功能的呼氣分析，是醫(yī)療診斷和監(jiān)測中的重要程序之一，可對(duì)人體的呼吸功能和氣體交換進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。通過測量呼出氣體中的氧氣濃度，醫(yī)生和保健專業(yè)人員可以獲得有關(guān)受試者肺功能、氧氣吸收效率以及整體健康的寶貴信息。
現(xiàn)代呼氣分析儀通常配備有精確的氧氣傳感器，能夠進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量，為治療決策和療效監(jiān)測提供可靠的依據(jù)。傳統(tǒng)測量通常需要佩戴呼吸面罩，或僅限于測量呼氣時(shí)二氧化碳的變化。
基于MECS技術(shù)的微型氣體傳感器首次實(shí)現(xiàn)了與小型智能設(shè)備以及可穿戴設(shè)備的集成，從而有望將氧氣傳感技術(shù)拓展到更廣闊的健身和保健市場。
