爆发式增长！气体传感器全面护航生产生活安全

编辑：感知芯视界

气体，人类赖以生存的重要物质，也是众多行业生产加工过程的原料及产物。

随着智能化、信息化的发展，工业转型升级、环境监测、空气品质改善、智能家居、医疗器械开发等各个领域对气体传感器的需求持续升级，新兴细分市场不断涌现，加上我国对环境保护、安全生产、医疗健康等监管力度不断加大，使得环境检测、工业排放、可燃有毒气体、便携式医疗设备等应用场景对气体传感器提出了大量需求，行业市场规模随之迅速扩张。

可以说，只要对气体的温度、湿度、压力、流量、浓度有检测和控制需求的地方，相关设备及系统就需要配置气体传感器。

在这一背景下，感知芯视界特别采访了面向全球市场的高新技术企业——盛密科技董事长沈飞宙 。盛密科技成立于美国洛杉矶和中国上海，立足于工业及民用环境安全检测领域，致力于研发、生产制造、销售有害有毒气体、电离及非电离辐射传感器以及相关产品。

独家专访

优势基因，填补传感器行业空白

盛密科技成立前，国内空气质量检测、环境监测技术发展并不成熟。用户对更加精准灵敏的、ppb级别的检测需求日渐旺盛，在这样的市场环境下，盛密科技产品的出现，有效填补了市场空白。

创立盛密科技之前，沈飞宙在机械制造行业从业十余年，并曾在美国留学深入研究复合材料，于2000年进入气体检测领域负责全球运营，为深入研究传感器技术、拓展应用市场积累了丰富的经验，奠定了雄厚基础。

2015年初，现任董事长沈飞宙与唐宣东、谢雷联合多位骨干员工创立了盛密科技。三位创始人在工业安全、气体检测领域近30年的丰富经验，经历传感器三十余年的快速发展更迭，他们期望将国内工业领域的气体检测传感器推向更高层次的发展。

在气体传感器领域躬耕多年，盛密科技充分了解到了气体传感器的不足和机遇。受制于起步时间、技术积累、行业门槛等因素，我国传感器产业尤其是气体传感器，要超越欧美国家还有很长的路要走。

与此同时，中国现代化脚步不断加速，各行各业持续进行产业升级，在相关领域，国内企业数量越来越多，越做越强，研发和生产加速创造了更大的机会。尤其是当前物联网行业和数字技术的发展，必须搭建基础的感知网络，为传感器产业创造了巨大的市场发展空间。

为此，作为一家高新技术企业，在过去的8年时间里，盛密一直将经营核心放在技术与产品的迭代更新，在创始人的带领下，不断提升市场渗透率，赋予品牌更高的可靠性。

独家专访

技术领先，做行业真正需要的产品

就技术而言，在电化学领域，盛密科技敢于说出“全球领先”！

为了提升传感器整体品质，盛密科技不断加强技术研发攻关，整合行业对传感器的需求做出产品，并借助新材料、新工艺提升产品智能化，提高产品品质。在此基础上，盛密科技凭借在存量市场积累的技术实力和经验，不断向更高门槛的增量市场迈进，适应物联网、大健康、新能源、现代农业等应用领域快速发展的需求，建造传感器产业的“高楼大厦”。

盛密电化学传感器

以氨气为例，在冷链中广泛应用，但存在不易被发现的泄露风险。在大规模养殖业中，动物排泄物会产生大量氨气，对动物健康产生严重影响。在公共洗手间以及化肥制造领域，同样需要大量传感器部署，实现实时检测、及时报警与运营维修。

但是，一般的氨气传感器存在消耗与寿命问题，很难实现长时间、长期应用，针对这一市场痛点，盛密科技打破原有的产品体系，创新研发推出一款“非消耗型氨气传感器”，可以实现五年内应用，减少更换的麻烦与成本。更具突破性的是，经过两年时间的研发测试，盛密独创紫外灯设计，使传感器产品测量精度不会随着使用时间的而衰减，能够在产品生命周期内实现稳定高精度测量。

PID传感器

针对各类制药领域严峻的光气（光气，又称碳酰氯，化学式为COCl2，是剧烈窒息性毒气，有剧毒）泄露问题，盛密科技在近期全新发布一款光气传感器。同时，氢能成为继锂电之后的下一个发展窗口，盛密科技凭借泄露检测领域极高的专业度，相关的传感器设备在氢气的输送、存储安全中也发挥了巨大的作用。

作为剧毒气体检测的重要设备，有效减少衰减、保障产品稳定是传感器的重要属性。为此，盛密不断加强研发，赋予传感器更少的能量衰减、更长的使用寿命。 且不仅仅针对单一有毒气体，为了给化工领域构筑安全屏障，盛密科技还研发出包括磷化氢，氰化氢等众多有毒气体在内的专业传感器，并在此基础上精益求精。

目前，盛密科技从环境监测出发，基于在电化学领域的深入研究和经验，已经形成电化学传感器、环境监测级传感器、mini系列传感器、民用传感器、PID传感器、传感器模块、电离辐射检测、NDIR传感器等产品矩阵。通过各类传感器，实现对各种环境下的空气质量、污染物浓度进行实时检测，为环境保护、安全生产提供重要数据支撑。在此基础上，将经验不断引入智慧城市建设，守护地下廊管安全，让现代化的城市充满智慧关怀。

MINI系列传感器

稳定可靠的产品为盛密科技扩展市场发挥了巨大的作用。现阶段，盛密科技主攻工业安全与职业健康。一方面，工业环境下尤其是化工环境，存在巨大的安全隐患问题，复杂的城市管网进一步加大了这种隐患。另一方面，环境带来的安全问题，将会对从业者健康造成一定的影响。而这种人文关怀，正是盛密科技成立的初衷——依靠技术的升级，用更好的产品，在广阔的市场“地基”上搭建起更高质量的高楼大厦。

环保传感器模块

独家专访

停止内卷，专注技术、产品与服务

面对行业发展趋势，沈飞宙表示，传感器行业必须停止内卷 。作为小而美的、发展中的行业，传感器中小企业及初创企业应该获得充分的发展机会。不能因为内卷、价格战，扼杀创新创业土壤。

同为技术出身，盛密科技的创始人都对技术研发投注了巨大的精力，作为一家高新技术企业，盛密科技紧紧把握产品的技术、性能及服务。

在气体传感器领域，催化燃烧传感器，在国外经过几十年的发展，已经相对成熟，甚至将纳米级材料应用于MEMS芯片，在小型化趋势上取得突破性的技术发展。沈飞宙表示，尽管如此，但行业应该对中国企业保持信心，我们在不断追平乃至超越的基础上，更加贴合用户需求，不断把价格做低。

在“内卷”的时代，真正的“卷”，应该为用户“卷”出切实的利益。

独家专访

面向未来，稳扎稳打，推动行业变革

中年创业，盛密科技在经验丰富的创始人的带领下，稳扎稳打，目标明晰，即将走过一个十年。沈飞宙表示，“我们是在巨人的肩上站起来，所以容易被人看到，得以在短短几年内就打造了一个走向世界的企业，在细分行业里建立了自己的品牌。”

在复杂气体环境中，气体传感器灵敏度和精度会受到影响。针对这一严峻的问题，盛密科技给予足够的重视，为此不断加强敏感材料的研发，让传感器只对目标气体响应，避免出现误判误报，能够有效减少重大灾情发生的可能性。

针对目前国内的气体传感器市场，盛密科技对未来充满信心。传统的工业安全、职业健康、消防应急救援、智慧城市、地下管廊、畜牧业对气体传感器需求量大增，市场将达到7亿美元， 而健康行业和汽车行业的需求更是难以估量。盛密在细分市场不断深耕，除了标准化产品，还在价格不变的情况下为用户提供定制化服务，不断为市场提供好产品，为用户提供好服务。

下一步，面对国家发展需要，盛密科技还将为半导体制造业带来升级 ，为半导体制程中的重要设备提供气体检测。沈飞宙表示，目前，晶片制造过程中涉及百余种气体，但能够实现精准检测的企业，世界范围内仅有3家，其中一家就是盛密科技。目前，11款相关传感器产品已经落地，面对重要的发展市场，在重要的发展节点，盛密将紧随国家战略部署，凭借自身优势，带动行业进步。

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一种新的光气传感技术，使用太赫兹波在分层介质中的光气传感器

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文 |溪知许a

编辑|溪知许a

前言

在环境问题越来越引起人们对呼吸健康的关注时，气体传感用于污染监测和泄漏分子检测变得十分重要。目前有许多基于不同原理的气体传感器，如气相色谱-质谱联用、电化学传感器和光学传感器。

对于电化学传感器，由于需要高温操作以获得高灵敏度，这在检测易爆气体时存在高电极功耗的风险。光学传感方案可以解决由于室温操作且无电接触而造成的安全问题。太赫兹辐射位于红外线和微波区域之间，它可以通过与气体分子的转动或振动能级跃迁发生强烈的相互作用。

在太赫兹频率范围内，气体分子的吸收强度通常与红外区域相当，并且比微波区域强度大约103-106倍。 太赫兹波的光子能量较红外波相对较低，比微波区域中的光子能量更强的相互作用响应。

太赫兹气体传感方法基于两种主要方式进行了展示。第一种方式是将太赫兹辐射直接照射在气态分析物上，并通过其光谱响应进行传感。例如特定频率处的强吸收线或在某一太赫兹光谱范围内的脉冲功率衰减已被应用于分析气态分析物。

这些传感方案通过光混频、异频检测和啁啾脉冲太赫兹光谱等， 成功地分析了超过30种化学物质的气体混合物并区分具有相似组成的气体。这种识别方案基于气体分子的转动、振动跃迁，提供了高选择性。

然而太赫兹光谱系统需要配备长的气体池、冷却、吸附预浓缩系统和加热装置，以将传感限度从ppm浓度提高到ppb水平。这种整体配置复杂、庞大、昂贵且功耗高。 虽然量子级联激光器被提出作为简化太赫兹波产生的气体传感应用的紧凑型太赫兹激光源。然而，太赫兹激光源需要在低温条件下运行，且受限于实际应用。

太赫兹气体传感的另一种方法是利用光子或周期结构中的太赫兹共振场。例如基于硅片和柱阵的一维和二维光子结构分别被验证用于太赫兹频率范围内的非特异性气体传感。所提出的光子结构具有高质量因子的太赫兹场共振，并对折射率的微小变化敏感。

对氢气的检测极限约为6%的浓度变化。氧气或氩气的最小可检测量约为1 μmol。虽然谐振器型太赫兹气体传感器相对较小、便携且功耗低，但其芯片内部的短交互长度基本上导致了有限的灵敏度和较差的选择性。

管状波导谐振器

将一个弯曲成圆柱形结构的介电层用作中空波导，以引导太赫兹波。这些用于太赫兹管状波导的介电管或管道可以从水电材料中获得。在研究中，使用30厘米长的玻璃管来装载0.05立方厘米液体分析物，以蒸发和填充管芯。当太赫兹波输入并穿过玻璃管芯时，蒸汽分子与太赫兹波进行相互作用，以实现传感目的。

蒸汽传感原理和结果

为了验证管状波导传感器的传感原理，使用水、盐酸、丙酮和氨液体的蒸汽分子作为标准分析物。传感结果显示，0.452太赫兹的谱谷在不同蒸汽填充管芯时明显向高频范围移动。

对于HCl、丙酮和氨的蒸汽，谱谷位置分别移动到0.461、0.465和0.477太赫兹。基于测量的谱谷和FDTD计算方法，得到了管芯的相关有效折射率。玻璃管的芯指数对应于HCl、丙酮和氨的蒸汽分别为1.016、1.035和1.102。

只有在0.452太赫兹的谐振谷处出现频率移动， 低频谱谷中的其他谐振谷不表现出任何谱移，用于传感蒸汽。低频谐振谷的零谱移来自于管芯处漏共振场的弱强度。它太弱无法感知蒸汽分子的存在。这种低灵敏度现象没有任何明显的谱移，与所有反共振场相关，即频率低于0.52太赫兹的谱峰。

不同蒸汽填充管芯内的谱谷频率与neff.core值之间的关系。谱谷频率随neff.core值增加而增加。neff.core值的增加效应来自于挥发性液体的各种蒸汽压力，这些蒸汽压力是由0.05立方厘米液体体积产生的。

高蒸汽压力表示管芯内大量蒸汽分子。因此，挥发性液体的蒸汽压力与封闭管芯内蒸汽分子的数量大致成正比。管芯内蒸汽分子的高密度导致较大的neff.core， 并且0.452太赫兹的谐振谷具有明显的蓝移。

这样的拟合曲线可以估算出微小的折射率变化，从而识别管芯内的分子。然而，管芯中的水分子无法产生任何谱移，因为水蒸气的密度非常低。这个传感结果是合理的，因为水、盐酸、丙酮和氨在常规大气和室温下的蒸汽压分别约为17 、38、202 和308 毫米汞柱。

微孔聚合物结构

除了单一的圆柱形层，多层MPS可以用作太赫兹气体传感器。太赫兹波的传感机制是通过监测气体分子的太赫兹吸收来实现的，与管芯波导谐振器的折射率检测不同。MPS气体传感器由多层聚对苯二甲酸乙二醇酯网格组装而成。为了收集和密封气体分析物，MPS与一个由聚四氟乙烯材料制成的微流控腔室组合在一起。

PET网格柔韧，由周期性方形孔组成。PET网格层被堆叠并通过矩形丙烯酸盒子固定，形成MPS结构。一个MPS中有大量的微孔，在复合材料内部呈随机分布。

四种不同厚度和方形微孔尺寸的PET网格堆叠成两种MPS结构，即均匀和周期性结构。当PET层按随机方式逐层叠放时，每个MPS中的PET网格的微孔并不完全对齐，无论是均匀MPS还是周期性MPS。周期性MPS由交替堆叠具有不同微孔尺寸的两种PET网格而构成。另一方面，均匀MPS是由只堆叠一种PET网格而形成的。

不同的PET网格微孔尺寸代表不同的孔隙率或不同的有效折射率，为了研究对MPS尺寸依赖的传感性能，使用四种PET网格制备了小孔和大孔MPS，并分别在均匀和周期性结构中使用。

挥发性气体传感能力

采用Periodic-90-249 MPS器件研究了MPS的挥发性气体传感能力，并观察了在不同丙酮蒸汽浓度暴露下的αeff响应。不同丙酮蒸汽浓度暴露前后的太赫兹功率传输谱图。THz谱图可以明显地识别浓度在2.5至100％之间的丙酮水溶液。

所有丙酮水溶液自然蒸发直到腔室中的蒸汽压饱和。根据劳厄尔定律，丙酮水溶液的浓度大致与蒸汽压成正比。即浓丙酮水溶液产生大的丙酮蒸汽压力。 丙酮蒸汽量的增加导致0.1-0.45 THz频率范围内的功率降低。

在不同丙酮蒸汽浓度暴露下提取的αeff光谱，该光谱是从光谱透射率、MPS厚度为3.46毫米和微孔填充率为40.5％的参数中提取的。吸收系数随着太赫兹频率和蒸汽分子密度的增加而增加。根据理想气体公式和丙酮水溶液的蒸汽压，可以获得丙酮的蒸汽密度。不同浓度的丙酮水溶液的蒸汽压是根据中的实验数据库估算的，而不是使用劳厄尔定律。

采用太赫兹时域光谱将MPS器件整合以观察0.10-0.45 THz波的传感性能。提取的αeff值在0.4 THz处明显达到最大区别。在0.4 THz频率以上，信噪比太低，无法用于蒸汽传感。因此，我们应用0.4 THz波来探测响应于MPS器件中的蒸汽分子的αeff和Δneff。

检测不同丙酮蒸汽浓度的0.4 THz波的传感结果，其中a为使用Periodic-90-249 MPS，b为不使用Periodic-90-249 MPS的空腔的传感结果。蓝色方块代表0.4 THz的有效吸收系数，红色圆圈代表折射率变化，这些结果是在不同丙酮蒸汽密度下测得的。

蓝色和青色曲线分别表示与比例关系和Langmuir吸附等温线的数学拟合，拟合R²值均大于97%。Langmuir拟合表明，丙酮蒸汽分子在亲水性微孔表面的单层吸附主要是由物理吸附引起的。对于小于6 nmol、mm³的分子密度，0.4 THz波的吸收与丙酮蒸汽密度之间的比例响应可以线性拟合为α = 0.036 + 0.52ρ，并被认为是传感器的灵敏区域。

丙酮蒸汽的最低检测浓度为291 pmol、mm³，相当于17 ppm。根据线性拟合曲线的斜率和αeff的不确定性，丙酮蒸汽的最小可检测浓度变化小于108 pmol、mm³，相当于6.29 ppm。因此，MPS对于微小蒸汽的传感具有低ppm级别的检测极限。

在没有MPS的空腔中测得的不同ρ值的传感结果。对于相同的ρ值，空腔中的αeff和Δneff值比使用MPS测得的值小。当我们获得空腔中的αeff和Δneff时，空气填充率（f）等于100％。与空腔相比，MPS增强了THz吸收约20倍。此外，对于相同的ρ值，MPS中的Δneff比空腔中的Δneff大两个数量级。在相同的ρ值下，空腔传感没有饱和效应，与MPS条件相反。

对于丙酮液浓度为100％，0.4 THz的吸收系数约为0.18 cm^-1，与中公布的0.45 cm^-1值大致相同且合理一致。线性拟合曲线的斜率和αeff的系统不确定性，丙酮蒸汽的最小可检测分子密度变化约为0.558 nmol、mm³，相当于32.37 ppm。

这个结果表明，通过MPS进行的挥发性气体检测的灵敏度高于传统THz-TDS系统。鉴于MPS可以使挥发性蒸汽聚集在微孔中并吸附在亲水性表面上，通过吸附剂介质增强太赫兹辐射与极性气体分子之间的相互作用，从而显著增加吸收和折射率变化。

MPS的传感能力还被证实可以检测其他挥发性有机化合物（VOC），包括甲醇、乙醇和氨。对于这三种蒸汽，0.4 THz的αeff和Δneff随蒸汽密度的增加而增加。这些趋势与丙酮蒸汽的传感结果近似，但αeff和Δneff的饱和响应不同。

Periodic-90-249 MPS在三种VOC中显示出明显的αeff和Δneff差异， 这是由于微孔中蒸汽吸附和渗透增强的效果。在这种MPS的传感配置中，所有蒸汽物种的微米级孔内不发生毛细现象。

结论

气体传感器的实验，当THz波在介质层介质中传播时，通过在光谱系统中监测THz折射率和吸收系数。圆柱形层是从玻璃介质管中应用的，用作波导谐振器。基于FP准则和FDTD模拟，可以近似得到玻璃管中管芯的折射率对应的THz频率。

表明只有高阶谐振模式对折射率变化敏感，这是由于高向内功率向管芯的传播。因此，通过管状波导谐振器可以识别不同具有不同蒸汽压力的样品，如水、盐酸、丙酮和氨。

为了进一步提高检测灵敏度和选择性，MPS结构被应用为一种THz人工材料来吸附蒸汽分子。基于有效介质概念定义了单位体积的THz吸收系数，并证明了该方法可以用于检测不同蒸汽分子。

在一个MPS传感器中，对几种分析物进行了测试，均能获得THz吸收和相位变化。THz吸收的增强主要是由于MPS中微孔内的蒸汽分子，它们限制在微孔中并吸附在孔面上，从而增加了THz波的吸收和相位延迟。

对于不同MPS的灵敏度可以通过将MPS暴露在不同VOC量下来测量，并且与VOC的分子偶极矩相关。 通过丙酮蒸汽分子的应用作为标准VOC，可以校准MPS的灵敏度性能。不同量的丙酮蒸汽通过丙酮水溶液的不同体积浓度制备，并通过加载在微流控腔内自然蒸发成蒸汽。根据实验设计，腔内的蒸汽压力约与丙酮水溶液的浓度成比例。

通过对Periodic-45-133和Periodic-90-249 MPS的测试，可以观察到吸收系数和相位变化的微孔尺寸效应。对于相同的微孔数量，将微孔尺寸缩小可以增加微孔内的分子占据密度，从而增加THz波的吸收和相位延迟。Periodic-45-133 MPS的灵敏度较高，与Periodic-90-249 MPS相比，其吸收系数和相位变化均显著增强。

综上所述，实验结果表明，MPS结构可以用于THz波的气体传感器，它可以通过吸附和吸附蒸汽分子来增强与极性气体分子的相互作用，从而增加吸收和相位变化，从而实现对不同气体的检测。MPS结构的灵敏度和选择性可以通过调整微孔尺寸和数量来控制，从而实现对不同气体的检测和区分。

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