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FaradaIC開發(fā)出全球最小的MEMS電化學氣體傳感器
來源:MEMS  瀏覽次數(shù):6285  發(fā)布時間:2024-08-14

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(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。


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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(zhuǎn)化為電信號。電化學傳感器中的電解質(zhì)是關(guān)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(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(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)濟高效地生產(chǎn),即使在85℃的高溫下,其電解質(zhì)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???。

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FaradaIC采用MECS技術(shù)的微型電化學傳感器主要結(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(guān)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(zhì):電解質(zhì)在電極之間傳導離子,提供發(fā)生電化學反應的介質(zhì)。迄今,電解質(zhì)通常采用水溶液(如氯化鉀)、有機溶液或固體電解質(zhì),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(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。


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FaradaIC開發(fā)的MECS氣體傳感器對比傳統(tǒng)技術(shù)


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(guān)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(zhì)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(guān)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(nèi)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(nèi),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(nèi),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(zhì)期隨之延長。

因此,在我們的環(huán)境空氣、室內(nèi)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(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),以預測保質(zhì)期并確定最佳銷售時間。


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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?qū)ρ鯕鉂舛冗M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。


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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(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(shù)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(shù)拓展到更廣闊的健身和保健市場。