FaradaIC开发出全球最小的MEMS电化学气体传感器
2024-08-07 09:54:41 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

FaradaIC开发的新型MECS气体传感器可以在传统MEMS代工厂经济高效地生产，即使在85摄氏度的高温下，其电解质也不会变干，模拟输出的传感器尺寸仅约2 mm x 2 mm，而且速度非常快。

FaradaIC开发出全球最小的MEMS电化学气体传感器

据麦姆斯咨询报道，FaradaIC Sensors是一家年轻的德国创业公司，总部位于柏林，并在勃兰登堡和塞尔维亚设有实验室。经过20多年的联合研究，两位创始人Ryan Guterman博士和Alexey Yakushenko博士首次成功制造并实现了一种用于气体传感器的电解质，这种电解质由固体组成，因此在生产中具有许多优势。

如今，MEMS传感器已经无处不在。FaradaIC开发的基于微型电化学系统（Micro-Electro-Chemical-Systems, MECS）的新型气体传感器，能够赋能许多全新的应用，满足市场对低成本、微型化气体传感器日益增长的需求。

FaradaIC开发的MECS气体传感器（右）比当前市售电化学传感器（左）小几个数量级

电化学气体传感器利用电极上的电化学反应将化学信息转化为电信号。电化学传感器中的电解质是关键要素之一，因为它可以实现离子导电，支持电化学反应。迄今为止，气体传感器中的电解质一直是液态的，这就是为什么这类传感器的制造成本高昂，设计尺寸相对较大，并且，在首次校准后即使不使用，也只有约1~3年的有限保质期。

FaradaIC开发的新型MECS气体传感器可以在传统MEMS代工厂经济高效地生产，即使在85℃的高温下，其电解质也不会变干，模拟输出的传感器尺寸仅约2 mm x 2 mm，而且速度非常快。

FaradaIC采用MECS技术的微型电化学传感器主要结构

基于MECS技术的气体传感器的主要元件与传统的电化学传感器相似，只是设计上要小得多，而且可以采用MEMS工艺制造：

- 工作电极：该电极是被分析物发生电化学反应的位置。它通常涂有催化剂，以促进被分析物的特定反应。

- 参比电极：该电极提供一个与工作电极相对应的恒定电位，对于准确测量电化学电位至关重要。

- 对电极：该电极闭合电路，允许电流通过传感器。它通过执行与工作电极相反的反应来促进反应。

- 电解质：电解质在电极之间传导离子，提供发生电化学反应的介质。迄今，电解质通常采用水溶液（如氯化钾）、有机溶液或固体电解质，并且生产和加工都很复杂。

凭借FaradaIC开发的新材料，电化学传感器的体积大大缩小，并可通过自动化工艺大批量生产。除尺寸外，与传统技术相比，FaradaIC开发的MECS气体传感器还有其它优势，如下图所示。

FaradaIC开发的MECS气体传感器对比传统技术

目前，可以用电化学传感器检测的所有气体原则上都可以用FaradaIC开发的MECS气体传感器测量。FaradaIC的开发人员目前正专注于测量不同浓度范围和不同应用中的氧气。

氧气是一种重要的气体，对大多数生物的生存至关重要。此外，氧气在生物系统的细胞呼吸中发挥着核心作用，细胞呼吸是细胞从营养物质中获取能量的过程。因此，充足的氧气水平对维持舒适和健康至关重要。此外，氧气在金属加工和化学合成等许多工业过程中也是不可或缺的。室内氧气含量会受到通风、居住、燃烧及其他因素的影响。在通风良好的室内，氧气含量通常保持在21%左右，而在通风不良、拥挤或燃烧密集的室内，氧气含量则会下降。

氧气含量低于19.5%时，被认为对人体健康有潜在危害。在食品包装中，天然氮的含量可从78%提高到90%以上，从而将氧气浓度降至10%以下。在此条件下，细胞呼吸减慢，新鲜食品的保质期随之延长。

因此，在我们的环境空气、室内空气、保护气氛以及许多其它应用中监测氧气的含量非常重要。

以往的氧气传感器通常耗电量大、体积大，而且保质期有限，无法整合到食品包装中。通过利用MECS技术，制造商可以开发微型化、便携、电池供电、使用寿命长的物联网（IoT）系统，这是传统气体传感技术无法实现的。除了保鲜状态检测，利用MECS技术的氧气传感器还可以从包装食品中获取数据，以预测保质期并确定最佳销售时间。

食品物流中的新鲜度监控

此外，将物联网器件集成到安全及个人防护设备中，还有助于大幅提高安全标准，尤其对于存在潜在危险气体的环境。嵌入到物联网个人防护设备中的氧气传感器能够对氧气浓度进行持续、精确的实时监控。这些传感器可以及早发现缺氧等危险情况，并立即向佩戴者或中央监控系统发出警报。这不仅能提高矿井或化工厂等危险环境中工人的安全，还能更快地应对紧急情况。通过连接这些设备，可以收集并分析数据，制定预防措施，提高整体安全性。

利用MECS气体传感器进行呼吸分析