微型智能半导体气体传感器应用空间可行性分析

王 兰，陈存广，王玉江，李丽鹏，王 铁

（1.哈尔滨中科盈江科技有限公司，哈尔滨 150028；2.中国科学院长春应用化学研究所，长春 130000；3.哈尔滨中庆燃气有限责任公司，哈尔滨 150000）

社会经济的发展，造成环境资源需求的提升，大量资源的耗损，必然会对环境产生一定的影响。近几年，物联网产业呈现出迅速发展的势头，物联网具有资源消耗少、环境影响小等特点。物联网的核心和基础是传感器。传统的气体传感器由于功耗高、体积大、响应慢、稳定性差及缺乏智能化功能，已经越来越不能够满足物联网发展的要求[1]。随着半导体产业技术的进步，电子信息及智能设备对小体积、低功耗、高集成度及性能优异的半导体器件的需求越来越大。微型智能半导体气体传感器由于其尺寸小、成本低、价格低廉、功耗低、灵敏度高和响应速度快等优点[2-3]，既可对石油化工、金属冶炼和煤炭等生产或运输中产生的危险气体进行监测[4-5]，也可应用于交通、畜牧养殖及环境监测等领域中，应用空间大，市场前景好。

1 在石油化工领域的应用空间

石油化工是我国的基础性产业，在国民经济中占有重要的地位。其以石油和天然气为原料，给人类提供各种生活产品，与人们的生活密切相关。仅2021年一年，我国石油进口量高达1.968亿t。我国的原油（未被加工的石油）产量为19 898万t。原油及其制品在开采、炼制、运输和使用的过程中，会产生对环境有严重污染的物质。在开采中产生的空气污染物主要有2种：一是钻井产生的废气，主要污染物是二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）和烃类。二是采油站废气，主要污染物是二氧化氮（NO2）、二氧化碳（CO2）和未燃尽的烃类。在炼制过程中，会排放大量的污水、废气和废渣。污水可以采用深度水处理，废渣可以回收利用，而废气需要先处理再排放，废气主要有一氧化碳（CO）、氯化氢、氮氧化物和SO2等，国家对每一种有毒有害废气的排放量都有一定的排放标准。原油在运输中泄漏，不仅会对水和土壤造成污染，排放到大气中的烃类气体还会对空气造成污染。众所周知，碳、氢、氧、氮、硫及一些微量金属元素如镍、钒、铁等是组成石油的主要化学元素[6]，而在一定条件下，这些元素会相互结合，形成硫化氢（H2S）、SO2、CO或各种具有挥发性的苯、醛和酮类等有毒有害的物质，因此都需要配备相关气体的检测设备进行监测，防止污染和中毒事件的发生。国家统计局发布的数据表明，2021年，中国天然气产量、消费量和进口量都较以往有所增长。随着对天然气的不断开发，天然气“全国一张网”骨架已初步形成，主干管网已覆盖除西藏外全部省份，京津冀及周边、中南部地区天然气供应能力进一步提升[7]，对可燃气体检测设备的需求也大大增加。天然气的主要成分是烷烃，烷烃中含量最多的成分是甲烷（CH4）。CH4是一种可燃性气体，通常情况下比较稳定，但与空气混合至体积分数为4.9%～16%时，遇火就会爆炸。我国天然气用户数量庞大，天然气爆炸事件时有发生，因此，配备相应的气体传感器势在必行。目前，石油化工领域应用最多的是红外和电化学气体传感器，红外气体传感器平均1台的价格在2 000元左右，电化学气体传感器平均1台的价格在700元左右，按年市场需求量约20万台计算，若使用平均1台的价格在300元左右的微型智能半导体气体传感器，每年可节省8 000～34 000万元。由此可见，微型智能半导体气体传感器在石油化工领域的应用前景广阔。

2 在金属冶炼领域的应用空间

目前世界上有约86种金属，通常分成2大类：黑色金属和有色金属。黑色金属有铁、锰和铬3种，除了铁、锰和铬以外的其他金属，都是有色金属。随着我国经济的快速发展，对金属的需求量越来越大，金属冶炼企业数不胜数，但在金属冶炼过程中产生的废气数量也日益增加，环境污染问题也日益严重。我国是全球第一大钢铁生产国[8]，钢铁在冶炼过程中就会产生氮氧化物、SO2和CO等有毒气体，一旦这些气体在排放过程中泄漏或超标，或操作和检修人员对气体危害认识不足、防范不力，就会造成中毒事故。因此，在钢铁冶炼企业安装常用的气体检测设备是非常必要的。在国家工业生产领域，有色金属特别是贵金属有着极高的应用价值。但是金属矿石在冶炼过程中会伴有大量的废气产生，这些废气有着高污染性。据中国有色金属工业协会统计，2020年，有色金属工业CO2的总排放量高约6.6亿t，有色金属冶炼行业已成为了我国对CO2气体控制排放的重点行业之一。为了确保贵金属资源持续健康的发展，国家对金属冶炼行业提出了一系列的环保政策规范，社会各界也开始高度关注环境污染，环境污染也得到了相关企业的重视。由于金属冶炼产生的气体主要是CO2、硫化物、氮氧化物和CO等，所以常用的气体传感器也主要是以检测其相对应气体的气体传感器。这些传感器不仅可以检测废气的排放浓度，也可以检测工业场所是否有气体泄漏，对安全生产提供了有力保障。目前，金属冶炼领域常用的气体传感器是固定式的红外或电化学气体传感器，由于在金属冶炼的过程中会伴随大量的废渣、废水及油烟，固定式的红外或电化学气体传感器表面很容易受到污染，影响检测精度。微型智能半导体气体传感器体积小，便于携带，可检测后带离检测区域，方便快捷。我国当前金属冶炼企业超过5 000家，按平均1家10台计算，对气体传感器的需求量约为5万台。使用微型智能半导体气体传感器每年可节省2 000～8 500万元。由此可见，在金属冶炼领域，微型智能半导体气体传感器的市场空间巨大。

3 在煤炭领域的应用空间

我国是以煤为主的能源生产消费结构，煤炭是我国主体能源，在我国一次性能源生产和消费中均占70%左右。煤炭在开采中，会产生大量CH4，当CH4和空气的体积分数比为5%～15%，遇火易发生爆炸。煤炭在加工利用过程中，会产生致癌、致畸变的多环芳烃类化合物苯并芘等。85%的煤炭是直接燃烧的，煤炭在燃烧中会排放大量的CO2、SO2、氮氧化物和有机氯化物。CO2、SO2和氮氧化物等气体的大量排放，会破坏臭氧层，危害人类生存。尤其是SO2已多次在我国多地区形成酸雨，导致土壤酸化、农作物减产及机械设施被腐蚀。有机氯化物的毒性与多环芳烃相差无几，已被列为全球性主要污染物之一。如果煤炭燃烧不充分，会生成CO，尤其是在使用煤做饭取暖的地区，煤气中毒事件时有发生，CO可与人体血液中的血红蛋白结合，轻度CO中毒有头痛、胸闷、恶心呕吐和全身乏力等症状；中度CO中毒有意识模糊、双腿麻木，甚至昏迷的症状；重度CO中毒会引发休克、脑水肿、心跳不规律，甚至死亡。若安装气体检测设备，一旦检测到气体超标，设备会发出蜂鸣声报警，会减少不必要的伤亡。近期内，煤炭在我国能源中的地位和作用不会改变[9]。煤炭是非可再生能源，煤炭产业是否能有序健康的发展，直接影响到工农业生产和社会大局的稳定。虽然我国是世界最大煤矿安全仪器装备国，但目前我国重点煤矿的安全问题仍然严峻，在煤矿开采过程中，为保证矿井的安全，每年气体检测设备的总需求量达100多万台。目前，煤炭领域使用最多的是催化燃烧气体传感器和电化学传感器，催化燃烧气体传感器需要在有氧环境且气体具有可燃性才可以使用，如不可以检测CO2，有一定局限性。电化学传感器的电解液多数是液体形态，高温或高湿下电解液挥发或水解，导致电化学传感器使用寿命短。微型智能半导体气体传感器不仅可以有效地检测CH4、SO2、CO2和CO等气体，而且生产成本低，不仅适用于工业，也适用于民用气体检测的需求。由此可见，在煤炭领域，微型智能半导体气体传感器市场空间巨大。

4 在交通领域的应用空间

20世纪90年代前，城市大气的主要污染源来自工业排放，但在90年代后，随着机动车数量的快速增长，交通污染逐渐取代了工业排放污染，已成为城市乃至全球大气环境主要污染源之一。汽车尾气的主要污染气体是CO、碳氢化合物和氮氧化物等。其中，CO会对人造成缺氧性伤害，危害中枢神经系统。氮氧化物指含氮元素和氧元素的化合物，其中的一氧化氮（NO）和NO2，是对人呼吸系统有害的气体，会引起人中枢神经闭塞或肺功能减弱。碳氢化合物中含有致癌的多环芳烃，其和氮氧化合物在紫外线作用下，会产生一种光化学烟雾，刺激眼睛和上呼吸道粘膜。并且在一定条件下，CO、氮氧化物和碳氢化合物会发生光化学反应，转化成对人体有危害的醛类、酮类等其他物质。汽车尾气中含有SO2，当SO2溶于水后，会形成亚硫酸，导致酸雨的发生。据公安部统计，2021年全国机动车保有量达3.95亿辆，其中汽车3.02亿辆；机动车驾驶人达4.81亿人，其中汽车驾驶人4.44亿人。中国汽车工业协会的统计数据显示，中高档汽车产销量占总量的20%，即中高档汽车有6千万辆。目前，发动机气体浓度传感器、氧气传感器、尾气监控传感器和汽车内空气质量监控传感器等正在逐渐被导入中高档汽车。按1辆汽车上装配4只气体传感器来计算，中高档汽车对气体传感器的总需求量约为2.4亿只。汽车尾气会污染大气，但酒后驾驶会危及生命。随着机动车及酒后驾驶人员数量的增加，酒驾造成的交通事故频繁发生，给人民的生命和财产造成了重大损失。国家针对酒驾也出台了相关的规定和政策，制定了相应的处罚标准。判断酒驾最简单快捷的方法就是使用酒精气体传感器对驾驶人员呼出的气体中酒精含量进行检测。酒精气体传感器正在各交警队普及推广。目前，交通领域应用最多的是电化学气体传感器，电化学气体传感器使用寿命短，价格也高于微型智能半导体气体传感器，因此，在交通领域，微型智能半导体气体传感器市场空间巨大。

5 在畜牧养殖领域的应用空间

改革开放以来，畜牧养殖业飞速发展，已成为了农民脱贫致富的重要途径和经济来源。但畜牧养殖业在带来经济效益的同时，也造成了严重的环境污染。众所周知，CO2会引起温室效应，而动物简单的呼吸就会产生大量的CO2，动物饲料的生产加工及动物产品在冷冻、处理和运输过程中使用的化石燃料也会产生CO2，地球上每年养殖的禽畜动物有400~500亿，畜牧养殖业的排放量已超过了交通运输业的CO2排放量；除了CO2会引起温室效应，化肥及动物粪便分解释放的CH4也会引起温室效应，以20年来计算，CH4引起的温室效应比CO2强72倍。畜牧养殖中，一些大型畜牧养殖机构会对动物的排泄物进行集中处理，但一些散户直接将排泄物排入环境中。排泄物发酵后会生成大量的氨气（NH3）、H2S和粪臭素等有毒的气体，这些气体不但会污染周围的环境，还会诱发动物自身产生疾病，甚至会引起养殖场员工及周边居民咳嗽、气管炎等呼吸道疾病。在畜牧养殖过程中，要优化畜牧养殖的环境，提高畜牧养殖水平。畜牧养殖环境包括两方面，一是周围环境是否对畜牧养殖场产生污染，二是畜牧养殖场自身产生的污染是否影响环境。无论从哪个方面考虑，在畜牧养殖场所安装气体传感器，对空气进行实时监测是很必要的。水产养殖的模式主要是围网养殖和网箱养殖。养殖的质量主要受水的含氧量、含氨量和水温等方面的影响。水温容易测得，而含氧量和含氨量需要气体传感器的检测才能获得。畜牧养殖对环境造成的污染问题，一直是国家环境治理的重点。通过智能化禽畜养殖管理，采集养殖的环境参数，根据采集数据去控制相应设备，使养殖环境达到最佳状态，提升养殖水平。通过减少饲料摄入量、全密闭处理粪水、除臭固氮和减少碳排放等相关技术及措施，达到国家环保目标。目前，畜牧养殖领域应用最多的是电化学气体传感器，而电化学气体传感器长期暴露在高浓度的气体中，受发生催化剂中毒，发生误报警或不报警现象，并且在高湿环境下受到的影响较大，微型智能半导体气体传感器恢复快，受湿度影响较小。近年来，国家对畜牧养殖业出台了一系列优惠补贴政策，极大地调动了养殖户的积极性，畜牧养殖业的蓬勃发展给微型智能半导体气体传感器提供了巨大的市场空间。

6 在环境监测领域的应用空间

我国颁布了GB3095—2012《环境空气质量标准》，规定了环境空气污染物的基本项目，项目内容见表1，通过对不同区域进行环境监测，不仅可以了解该区域环境污染的程度，还可以针对污染程度采取有效的管理措施。

表1 我国环境空气污染项目指标

随着人们环保意识的加强和社会对环境质量问题的高度重视，对环境进行监测势在必行。对于地下车库、冷库和地下商场等一些封闭或半封闭的室内空气的质量越来越受到关注。地下车库若通风换气不好，汽车尾气排放的CO、氮氧化物等聚集到一定浓度就会对人体产生危害。冷库的大型制冷设备多用液氨，一座冷库液氨储量为5 t左右。液氨无色、有毒且易挥发。挥发后形成NH3，当NH3在空气的体积分数为16%～25%，遇明火爆炸。高浓度的NH3可引起呼吸道疾病。地下商场中的CO2、CO和甲醛（HCHO）等气体都会对人体造成危害。针对不同空间的不同气体，可采用相应的气体传感器进行实时监测和报警，有效避免气体浓度超标造成的危害。2021年，我国冷库容量已超过7 000万t。1座冷库安装2只传感器，共需传感器约2 800万只；地下车库和地下商场数量庞大。环境污染的主要原因是大气污染，大气污染一是自然发展过程中产生的有害气体，二是人为活动造成的污染，其中，人为活动造成的污染是大气污染的主要来源，如工业废气、汽车尾气、秸秆焚烧和煤炭取暖等都会产生有毒有害气体。随着环境保护法律法规的不断健全与完善，越来越多的气体传感器被用于环境监测领域，2013年，中国环境保护部就颁布了《环境空气质量监测点位布设技术规范》，其中明确规定了建成区城市人口和建成区面积及最少监测点数的关系，见表2。

表2 建成区城市人口和建成区面积及最少监测点数的关系

按环保要求，需要监测的气体主要有CO、SO2、NO2和O34种，我国共有663个设市城市，平均每个城市安装50个监测点，1个监测点需要传感器至少4种，需要的气体传感器数量大于13万只。目前，环境监测领域应用最多的是催化燃烧气体传感器和电化学气体传感器，催化燃烧气体传感器功耗大，氧浓度低的环境下监测误差大，电化学气体传感器受环境湿度和温度影响较大。微型智能半导体气体传感器不仅功耗低、受环境湿度影响小，而且价格低，仅按13万只传感器计算，可为国家节省约5 000万元。由此可见，在环境监测领域，微型智能半导体气体传感器的市场空间也很大。

7 结束语

常见的气体检测设备按工作原理分有4种：红外气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧气体传感器和半导体气体传感器。红外气体传感器的缺点是体积大，价格高；电化学气体传感器的主要缺点是受温湿度影响较大、使用寿命短；催化燃烧气体传感器的主要缺点是工作温度高、功耗大；半导体气体传感器价格低、体积小、功耗低、使用寿命长且受湿度影响小。并且做到了微型化、智能化。当前气体传感器在我国相关行业和领域中的年市场容量惊人。低成本、低功耗、低检测限及智能化的微型智能半导体气体传感具有广泛的应用空间。