MEMS气体传感器技术
引领未来安全防护
近日，黎巴嫩全境传呼机、对讲机等随身携带设备发生爆炸，造成多人死亡，千余人受伤，引发了广泛恐慌。多名军事专家认为，是由便携设备的电池组融入的PETN（季戊四醇四硝酸酯，简称太安）烈性炸药造成。虽然隐藏在设备中的炸药很微量，但低剂量炸药容易躲过X光检查，同时由于所附着物品往往是与人体直接接触的，发生爆炸对人体的损伤反而会更大。
因此，面对新形势如何提升防控爆炸风险的能力成为当前研究热点。气相色谱法(GC)、质谱法(MS)、离子迁移率光谱法(IMS)、拉曼光谱法是常见的爆炸物检测技术，而且基于这些技术的爆炸物检测仪已经在市场上销售。然而这些设备存在着高成本、体积大、操作繁杂等缺点。
考虑到PETN等固态爆炸物会产生特定的蒸气，因此可以利用气体传感器技术检测爆炸物。MEMS气体传感器是结合MEMS技术和气体传感器技术，将现实世界气体信息转换为电信号的微型器件，具有操作简单、成本低、尺寸小、灵敏度高、易集成、可便携等优点，是实现可靠便携的微量爆炸物检测仪的技术手段之一。北京中天鹏宇科技发展有限公司已研发出检测氮氧化物、氢气和VOCs的MEMS气体传感器芯片，并建立了搭配模式识别算法的智能嗅觉系统。
MEMS（Micro Elector Mechanical Systems，微机电系统），可定义为使用半导体微加工技术制造的尺寸大约在1μm-1mm间的微型机械和机电元件。基于MEMS的传感器是通过敏感元件感测现实世界的光、热、湿度、压力和气体等物理化学信号，并将其转换为电信号的微型器件，如图1所示。MEMS传感器根据感测信号种类可分为物理传感器（声、光、力、磁、温度等）、化学传感器（气体、PH值、电化学等）和生物传感器（酶、DNA、微生物等）。
图1 MEMS传感器
气体传感器的技术路线有多种，根据工作原理可以分为光学型、压电型和电学型，商售实物如图2所示。光学型主要有非分散红外（NDIR）气体传感器、可调谐半导体激光（TDLAS）气体传感器、光离子化（PID）气体传感器、光纤传输型气体传感器；压电型主要有声表面波（SAW）气体传感器和石英晶体微天平（QCM）气体传感器；电学型气体传感器主要有半导体式、电化学式、催化燃烧式和热导式。
图2 各种类商售气体传感器实物图
由于传感器的种类和型号较多，所以在面对实际应用需求时应根据传感器的指标进行选择。气体传感器的指标主要包括灵敏度、选择性、响应时间、稳定性、测量范围、成本、能耗、尺寸、使用寿命等。表1展示了各种气体传感器的性能指标，此表参考了多款商售气体传感器，性能指标有一定浮动，表中所给数据均为约数，非限定准确值。
表1 各种气体传感器性能指标对比
从上表可以看出，半导体式气体传感器因其突出的尺寸优势脱颖而出，成为了便携式气体检测设备的热门选择。金属氧化物半导体（MOS）传感器是应用最为广泛的半导体式气体传感器，其与MEMS融合的技术十分成熟，单一传感器尺寸可微型化至100μm。MOS气体传感器的工作机理是当环境气体与器件表面金属氧化物气敏材料发生接触时，会改变气敏材料表面的电荷分布，导致气敏材料电导率发生可逆变化，变化幅度和特征与气体种类和浓度有关；另一方面，利用MEMS技术制造的一种可以极低功耗升至高温的微型加热平台-微热板，可为气敏材料提供稳定高温，使MOS材料工作在最佳工作温度以发挥出最优的气敏特性，如图3所示。如此，MOS传感器与MEMS技术结合，实现了具有灵敏度高、响应快、微尺寸、低功耗、低成本、易集成、易阵列化等优点的高性能MEMS气体传感器。
图3 MEMS MOS气体传感器的原理示意及实物SEM
半导体式气体传感器的缺点是选择性相对较差。由传感器阵列构成的人工智能嗅觉系统可有效改进单一气体传感器选择性差和抗干扰能力弱的问题。人工智能嗅觉系统，又称电子鼻，是模拟动物的嗅觉器官，利用多个气体传感器对复杂成分气体的多个响应信号，结合模式识别算法，实现对气体的分析与评估，如图4所示。在面对实际应用场景，如呼吸气体健康监测、肉类果蔬新鲜度评估、爆炸物蒸气探测等复杂混合气体的检测时，人工嗅觉系统展现出了优秀的准确性。
图4 犬嗅觉和人工智能嗅觉系统工作原理
发生在黎巴嫩的爆炸事件无疑是一个沉痛的提醒，它不仅凸显了现代冲突中潜在的新型威胁，也强调了发展新型安检技术的重要性。在冲突地区，随着战争形式的演变，传统的安检手段可能已不足以应对日益隐蔽和复杂的攻击手段。MEMS气体传感器和人工智能嗅觉技术的引入，有望实现便捷、可靠、智能识别复杂气体，探测强隐蔽性的危险爆炸物，提高个人和公共场合的安全性，在一定程度上减少恐慌和不安。让我们携手努力，以科技的力量构筑更加坚固的安全防线，为世界和平与稳定贡献力量。
