微型化與製造技術的進展,為MEMS感測器產業的業者開啟了嶄新的市場;根據IDTechEx估計,代工廠在未來幾年內將生產數百萬個氣體感測器元件。

金屬氧化物(MOS)氣體感測器是1950年代日本神戶的研究開發成果。這種感測元件由加熱至高操作溫度(300-500°C)的絲網印刷金屬氧化物層(通常是SnO2、CuO或ZnO的改進版本)組成。在此高溫下,氧吸附至表面並調整材料的導電性能,當大氣中的氣體隨後與吸附的氧反應時,即可進一步調節材料的導電性能。

這些研究發現創造了一個價值數十億美元的工業安全領域,包括偵測有毒氣體與監測碳一氧化碳的商用感測器,一部份則來自幾個國家的法規推動。然而,這種感測器的大外形尺寸與功率要求,使其至今仍無法被應用在更多的商用領域。

微機電系統(MEMS)製造製程已經使得MOS感測器實現大量生產。以前它可用於同時印製200個感測器,但必須在實驗室中以多層印刷材料進行。透過火焰熱解的材料製造與沈積新方法意味著一座代工廠中每天可製造數百萬個感測器。由於使用微型加熱板,對於功率的要求已經大幅降低了十倍,如今的感測器功耗還不到10mW。

這種被稱為MEMS或CMOS氣體感測器的新一代化學感測器,可讓MOS感測原則微縮至元件級。他們適於被整合至許多低功耗的手持裝置中,例如手機與平板以及穿戴式徽章和首飾。這種感測器具有偵測空氣中污染物的能力,即將為環境氣體感測器帶來重大影響,IDTechEx預計這一市場將持續擴大,在2027年以前達到30億美元的市場規模。

這種製造製程的革命,也為氣體感測器產業帶來了幾次收購。最值得注意的是AMS收購Cambridge CMOS Sensors (CCS)——這是一家從劍橋大學和華威大學獨立出來的公司。

Cambridge CMOS Sensors憑藉其利用創新封裝技術製造感測器的關鍵地位,在不到六年的時間內從早期發展階段一躍而成為氣體感測器技術的領導廠商之一。AMS很快地看到中國市場快速成長,智慧型手機與健身追蹤器用的元件開始用於作為環境監測器以及監測酒精含量的呼吸器。

較傳統的MOS氣體感測器製造商急於趕上這些新興業者。日本Figaro Engineering推出了一系列微型感測器,搭配主要用於一氧化碳監測的感測器組合,如今在美國和歐洲大多數的家庭中都可以看到相關應用。

Sensirion最近出售旗下整個氣壓感測器部門,集中各種資源發展不斷成長中的環境氣體感測器。該公司將在2017年發表首款氣體感測器,該元件在單個微型電熱板上使用多種金屬氧化物材料,可在尺寸僅2.45 x 2.45 x 0.9 mm的感測器上測量感測器上的多種氣體。

這些進展正推動氣體感測器朝向消費電子裝置發展,預計將在未來五年即可看到大幅成長。為了監測與對抗全球都市中日益增加的空氣污染危機,很快地將在智慧型手機、穿戴式裝置與室內監測裝置中看到這元件。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Chemical Gas Sensors on the Rise,by David Pugh)