中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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有實驗室。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現(xiàn)了一種用于氣體傳感器的電解質，這種電解質由固體組成，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用，滿足市場對低成本、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）比當前市售電化學傳感器（左）小幾個數(shù)量級
電化學氣體傳感器利用電極上的電化學反應將化學信息轉化為電信號。電化學傳感器中的電解質是關鍵要素之一，因為它可以實現(xiàn)離子導電，支持電化學反應。迄今為止，氣體傳感器中的電解質一直是液態(tài)的，這就是為什么這類傳感器的制造成本高昂，設計尺寸相對較大，并且，在首次校準后即使不使用，也只有約1~3年的有限保質期。
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)濟高效地生產(chǎn)，即使在85℃的高溫下，其電解質也不會變干，模擬輸出的傳感器尺寸僅約2 mm x 2 mm，而且速度非?？?。
FaradaIC采用MECS技術的微型電化學傳感器主要結構
基于MECS技術的氣體傳感器的主要元件與傳統(tǒng)的電化學傳感器相似，只是設計上要小得多，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)生電化學反應的位置。它通常涂有催化劑，以促進被分析物的特定反應。
- 參比電極：該電極提供一個與工作電極相對應的恒定電位，對于準確測量電化學電位至關重要。
- 對電極：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來促進反應。
- 電解質：電解質在電極之間傳導離子，提供發(fā)生電化學反應的介質。迄今，電解質通常采用水溶液（如氯化鉀）、有機溶液或固體電解質，并且生產(chǎn)和加工都很復雜。
憑借FaradaIC開發(fā)的新材料，電化學傳感器的體積大大縮小，并可通過自動化工藝大批量生產(chǎn)。除尺寸外，與傳統(tǒng)技術相比，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氣體傳感器對比傳統(tǒng)技術
目前，可以用電化學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用中的氧氣。
氧氣是一種重要的氣體，對大多數(shù)生物的生存至關重要。此外，氧氣在生物系統(tǒng)的細胞呼吸中發(fā)揮著核心作用，細胞呼吸是細胞從營養(yǎng)物質中獲取能量的過程。因此，充足的氧氣水平對維持舒適和健康至關重要。此外，氧氣在金屬加工和化學合成等許多工業(yè)過程中也是不可或缺的。室內氧氣含量會受到通風、居住、燃燒及其他因素的影響。在通風良好的室內，氧氣含量通常保持在21%左右，而在通風不良、擁擠或燃燒密集的室內，氧氣含量則會下降。
氧氣含量低于19.5%時，被認為對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，細胞呼吸減慢，新鮮食品的保質期隨之延長。
因此，在我們的環(huán)境空氣、室內空氣、保護氣氛以及許多其它應用中監(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，而且保質期有限，無法整合到食品包裝中。通過利用MECS技術，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)氣體傳感技術無法實現(xiàn)的。除了保鮮狀態(tài)檢測，利用MECS技術的氧氣傳感器還可以從包裝食品中獲取數(shù)據(jù)，以預測保質期并確定最佳銷售時間。
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人防護設備中，還有助于大幅提高安全標準，尤其對于存在潛在危險氣體的環(huán)境。嵌入到物聯(lián)網(wǎng)個人防護設備中的氧氣傳感器能夠對氧氣濃度進行持續(xù)、精確的實時監(jiān)控。這些傳感器可以及早發(fā)現(xiàn)缺氧等危險情況，并立即向佩戴者或中央監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報。這不僅能提高礦井或化工廠等危險環(huán)境中工人的安全，還能更快地應對緊急情況。通過連接這些設備，可以收集并分析數(shù)據(jù)，制定預防措施，提高整體安全性。
利用MECS氣體傳感器進行呼吸分析
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，可對人體的呼吸功能和氣體交換進行詳細評估。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，能夠進行快速準確的測量，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二氧化碳的變化。
基于MECS技術的微型氣體傳感器首次實現(xiàn)了與小型智能設備以及可穿戴設備的集成，從而有望將氧氣傳感技術拓展到更廣闊的健身和保健市場。
