综述：室温可穿戴气体传感器制造及应用
2023-06-04 15:13:44   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，信息时代的爆炸式发展，使物联网（IoT）、人工智能（AI）、大数据和云计算吸引了全世界的广泛关注。智能气体传感器已成为人机交互（HMI）的重要接口，以及与外界交互的重要手段。

气体传感器在作为HMI接口时，需要具备可穿戴以及皮肤贴合的特性，以感知人体及周围环境的各种生理信号。常见的气体传感器通常由传统衬底（包括玻璃、陶瓷管、硅、刚性传感材料和电极）制成，这些材料往往缺乏柔性和机械顺应性以响应人体运动。因此，传统的刚性气体传感器的弯曲性能和透气性较差，限制了人体活动，导致佩戴舒适性较差。此外，传统的气体传感器还需要依赖高温工作，这阻碍了可穿戴气体传感系统的制造，并且在检测易燃易爆气体时，会不可避免地增加发生爆炸或火灾的潜在风险。

最近报道的可穿戴气体传感器为解决上述挑战提供了一种有效的方案。随着工业化和城市化的进程加速，有害气体排放对人类健康构成了重大威胁。例如，过度暴露于氨气会对呼吸器官和眼睛造成不可逆转的严重刺激，长期暴露于含甲醛的空气中会导致肺功能下降和慢性肺炎，而长时间暴露于低浓度的氮氧化物会诱发慢性咽炎和支气管炎。

因此，在日常生活中使用便携式可穿戴气体传感器即时检测周围的有害气体正变得至关重要。不仅如此，有些气体还可以用作某些疾病的生物标志物，实现人体健康状况的即时监测、诊断及治疗。

根据应用场景和实际呼吸中检测到的气体类型，可穿戴气体传感器可用于环境监测、医疗保健、智能家居、工业安全、食品安全以及公共安全等领域。此外，可穿戴气体传感器体积小，可以舒适地粘附在人体皮肤上，并能随着人体运动而变形，不改变传感器的响应性能。

因此，选择并设计柔性衬底及敏感材料，已成为提高气体传感器室温传感性能及机械柔性的当务之急。与传统刚性衬底相比，新兴的聚合物和织物基材不仅表现出可弯曲和可拉伸的特性，而且重量轻、价格低廉。

为了实时检测人体生理信号以及监测周围环境的潜在威胁，离子液体、聚合物、碳基纳米材料、二维半导体材料以及其它柔性敏感材料可以作为柔性传感材料提供有吸引力的解决方案。这些材料凭借卓越的柔韧性和室温下的高敏感特性相比其它材料更具优势。此外，相较传统的气体传感器，可穿戴气体传感器还具有更低的功耗。

据麦姆斯咨询报道，吉林大学电子科学与工程学院刘方猛教授研究团队近日在Advanced Sensor Research期刊上发表了一篇题为“Room Temperature Wearable Gas Sensors for Fabrication and Applications”的综述，全面总结了室温下具有卓越气体传感性能的材料及其制备。文章还讨论了室温工作的可穿戴气体传感器的各种应用和未来前景。

室温工作的可穿戴气体传感器的传感机理、制造及应用

室温工作的可穿戴气体传感器的传感机理

目前，气体传感器有四种主要类型，包括光学式气体传感器、机械式气体传感器、电磁式气体传感器和电学/电化学式气体传感器，它们能够响应目标气体分子和传感器之间的相互作用而产生不同的信号。其中，基于电学/电化学原理的气体传感器可以通过监测气体分子与传感器反应时的电学特性变化来检测目标气体的浓度。本文通过氧吸附模型、直接吸附模型、质子转移模型和离子传导模型对其传感机理进行了解释。

柔性敏感材料

气体传感器的柔性，已成为可穿戴智能设备的应用瓶颈。因此，敏感材料和衬底的机械柔性吸引了广泛研究。本文简要介绍了被用作柔性气敏材料的离子液体、聚合物、碳基纳米材料以及过渡金属化合物，以取代智能设备应用中的传统刚性材料。

碳基纳米材料制备示例

二维半导体纳米材料制备示例

可穿戴气体传感器的广泛应用

与传统的刚性气体传感器相比，可穿戴气体传感器提供了更灵活的装配选择，不需要像刚性传感器那样限制于固定的位置。可穿戴气体传感器可以无缝贴合人体皮肤，也可以作为电子织物集成在衣服中，能够随人体运动自由弯曲，而不会改变气体传感性能。重要的是，可穿戴气体传感器可以即时检测周围的环境信息和人体的生理信号，通过结合物联网或深度学习等相关技术，能够在检测到有害气体浓度或呼吸标志物超标时第一时间发出警告。此外，凭借其舒适性和便携性，可穿戴气体传感器能够全天佩戴，实时监测。因此，可穿戴气体传感器已经在环境监测、医疗保健、智能家居、食品安全甚至公共安全等需要实时监测和即时警报的应用领域发挥重要作用。

可穿戴气体传感器的环境监测应用示例

可穿戴气体传感器的食品安全应用示例

下一步研究展望

尽管可穿戴气体传感器拥有广泛的新机遇，但在它们获得实际应用之前，仍有许多问题有待解决。首先，与在高温工作的材料相比，可穿戴气体传感器中使用的敏感材料通常表现出更低的响应和更长的响应/恢复时间。因此，迫切需要研究现有敏感材料的掺杂和结构，以提高其在室温工作下的传感性能。此外，Ti3C2Tx和PANI等室温传感材料的稳定性相对较差，并且易氧化，限制了它们在可穿戴气体传感器中的进一步应用。其次，在器件制造方面，确保气体传感性能在大机械形变下的稳定性，实现小型化和集成化，以满足可穿戴智能设备的要求至关重要。最后，开发与大数据、人工智能、机器学习等技术相结合的气体传感应用是极具前景的研究方向，可以加速可穿戴气体传感器的集成化、数字化和智能化。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adsr.202300035

延伸阅读：

《气体传感器技术及市场-2022版》

《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》

《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》

《可穿戴传感器技术及市场-2022版》