富士康应用石墨烯开发出新型气体传感器

富士康应用石墨烯开发出新型气体传感器,第1张

  据麦姆斯咨询报道,Fujitsu Laboratories公司近日宣布基于石墨烯的新型原理,开发出了全球首款超灵敏气体传感器,石墨烯是一种碳原子排布形成厚度仅为一个原子的准二维材料。

  该研究成果为开发能够快速、灵敏地监测特定气体组份的紧凑型仪器开辟了道路,可应用于探测大气污染,或人体呼吸中的有机衍生气体。

  Fujitsu Laboratories公司开发的这种新型气体传感器利用了一种新的传感原理,其硅晶体管的绝缘栅部分由石墨烯取代。该传感器能够探测浓度低于10 ppb(十亿分之一)的NO2(二氧化氮)和NH3(氨气);其对于NO2的灵敏度更是提高了十余倍,探测浓度低于1 ppb。

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  新开发的石墨烯绝缘栅传感器示意图(左),以及传感器产品的扫描电镜显微照片(右)

  当气体分子附着在石墨烯上时,改变了石墨烯的功函数(work funcTIon),其结果引起了硅晶体管的阈值变化。这就是该传感器的感测原理。当气体分子从石墨烯层脱离后,石墨烯又会恢复其原始状态。

  该技术预计能够实现空气质量的实时监测,而这之前,根据所测量气体的不同,甚至可能需要花费数十个小时的时间。该技术也将简化人体呼吸的气体组份监测,从而用于疾病的快速发现。

  该技术的详细内容公布于2016年12月3日在美国旧金山开幕的2016 IEEE国际电子器件会议上。

  气体传感器技术和市场:

  颠覆性技术和新兴应用将使气体传感器市场一路飙升!

  

  Gas Sensor Technology and Market

  气体传感器的大规模市场应用一触即发

  空气质量正成为一项重要的环境问题。污染会降低我们吸入的空气质量,进而导致身体健康问题。例如糟糕的空气会加重过敏和呼吸系统疾病,如引发哮喘。此外,某些日常活动可能会释放出有害气体,在极端情况下,类似一氧化碳的有害气体会导致死亡。因此,气体传感器吸引了越来越多厂商的兴趣。气体感测并不是一项新技术,集成气体传感器的气体探测设备已经应用于国防和工业安全,并形成了一个高度管制和成熟的市场。但是人类社会面临的空气质量问题,以及环境保护意识的不断增强,为气体传感器创造了新的应用和市场机会,包括消费类产品(如智能家居、可穿戴设备和智能手机)、建筑物和汽车(室内和车内空气质量监测)。

  根据我们市场调研,目前气体传感器市场主要受暖通空调(HVAC)驱动增长,而未来将受消费类应用驱动增长。2014年,气体传感器市场规模为5.6亿美元,预计2021年将达到9.2亿美元,未来五年的复合年增长率为7.3%。如果气体传感器在消费类产品中广泛应用,那么2021年的市场营收上浮6500万美元也是可能的。

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  2014-2021年气体传感器市场营收预测

  * 受到更好的能源管理需求驱动,气体传感器在建筑市场将实现快速增长,未来五年的复合年增长率为13.6%,2021年市场营收约为2.37亿美元。

  * 医疗行业正需要高灵敏度哮喘检测传感器、用于呼吸控制的氧气传感器。

  * 消费类应用,如智能家居、可穿戴设备和智能手机,正在推动新型MEMS气体传感器发展,以降低成本和功耗、减小尺寸。

  * 由于人们对室外空气质量控制的渴望,环境保护市场未来五年的复合年增长率高达19%。

  * 交通运输市场主要由氧气传感器驱动发展,未来的目标是努力减少汽车排放污染。

  消费类市场是非常有吸引力的,因为它可以产生很大的市场,当然这取决于用户使用情况、产品成本和技术成熟度。如今,智能手机行业已经彻底改变了传感器产业,集成了种类繁多的传感器。同样地,气体传感器也可以集成于智能手机和可穿戴设备中。例如深圳市卡卓无线信息技术有限公司(K-Free)手机设计方案采用了Cambridge CMOS Sensors(简称CCS)的全数字架构MEMS气体传感器CCS811。该传感器可以感测挥发性有机化合物(volaTIle organic compounds,VOC),如家具产生的甲醛,甚至还能作为警察检测酒驾的呼吸测试器。

  本报告假设了气体传感器在消费类应用中可能出现的三种情形:

  * 现实情形(RealisTIc scenario):未来几年,智能手机集成气体传感器的“步伐”缓慢,只有二线和三线智能手机厂商使用气体传感器。

  * 乐观情形(OpTImistic scenario):2016年,某些主流智能手机集成了气体传感器,并在未来五年日益普及。该情形取决于技术成熟度和成本。

  * “过山车”情形(“Rollercoaster” scenario):2016年,某些主流智能手机集成了气体传感器,但是一年后,由于没有明确的用户需求,气体传感器又被剔除。例如三星Galaxy S3首次集成了湿度传感器,但一年之后发布的Galaxy S4却剔除了湿度传感器。

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  气体传感器技术和商业需求

  气体传感器的技术之争

  气体传感器技术纷繁复杂,有九种不同的方法。一般情况下,选择何种气体传感器技术取决于价格、尺寸、功耗、灵敏度和响应时间。

  金属氧化物半导体(MOS)技术应用较广,涵盖医疗、交通运输、暖通空调、消费类产品,并且使用寿命长(5~10年)。催化(Catalytic)和电化学(electrochemical)技术是“老”技术,且使用寿命短(5年以下),主要用于国防和工业安全。

  光学技术具有最高的精确度和最长的使用寿命,但是由于成本过高和环境恶劣,并没有广泛地应用于交通运输,而是获得暖通空调的“青睐”,尤其是非色散红外传感器(NDIR)。随着集成度进一步提高,光学技术还将打开便携式工业检测系统的市场。光学技术,如NDIR、傅立叶变换红外(FTIR)、化学发光(chemiluminescence)和微色谱法(microchromatography),是很准确的,但是较为笨重和昂贵,某些情况下,功耗也较高。如果NDIR采用光电二极管LED时,可以实现极低的功耗。

  MEMS不是一项新的检测原理,而是一个新的制造平台,使得现有技术产品进一步小型化:

  * 采用MOS技术的公司:Micronas、Microsens、ams、Synkera、CCS、KWJ Engineering、Figaro

  * 采用IR技术的公司:CCS、eLichens

  * 采用色谱法的公司:Spectral Engines、APIX、EcoLogicSense

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  气体传感器技术及相关厂商分布图(使用寿命 vs. 应用)

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