2015年央視著名記者柴靜拍攝的紀錄片《穹頂之下》點燃了國人對空氣污染的大討論。在人類賴以生存的大氣環境裡，充滿了呼吸必須的氧氣，也存在對人體有害的氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳等氣體，以及PM2.5等顆粒物。大氣污染，在不知不覺中侵蝕著人體的健康，輕者帶來身體不適，重者引起癌症等惡性疾病。室內污染和車內空氣污染，以裝修建材和汽車內飾揮發的甲醛、苯等揮發性有機化合物（VOC）等為罪魁禍首，嚴重的污染會引起視線模糊、青少年記憶力下降、胎兒畸形、白血病等。
2014年8月，崑山一家金屬製品工廠的拋光車間發生特別重大粉塵爆炸事件，造成上百人死亡。車間內氣體、顆粒物濃度監控及管線洩露探測（如粉塵、氧氣、一氧化碳、硫化氫、鹵素氣體、煤氣、天然氣等）對安生生產的重要性不言而喻。另外一個場景，醫生或者醫學研究者需要測量培養基增養的細菌樣本的氣體成本以及呼氣氣體中所包含的特定的體現病理情況的氣體成分，為病情診斷提供確實可信的數據信息。
以上設置的場景，靠人體鼻子是無法精確識別出各種氣體的存在及其含量的，而氣體傳感器卻擁有人類“聞所未聞”的能力。集成氣體傳感器的氣體探測設備已經應用於國防和工業安全，並形成了一個高度管制和成熟的市場。但是人類社會面臨的空氣質量問題，以及環境保護意識的不斷增強，為氣體傳感器創造了新的應用和市場機會，如大氣、室內和車內空氣質量監測。
據麥姆斯諮詢報導，一些新興的氣體傳感器應用更是集成到智能手機、可穿戴設備和智能家居方面。比如霍尼韋爾（Honeywell）研發的微型真空泵可應用在各種移動設備上，可以聞出有毒化學品、花粉等任何物質與氣味，內建在智能手機上幫助手機實現“嗅覺”的功能。台灣工研院開發省電又輕薄短小的酒測手錶，只要對著酒測手錶輕輕一吹，就可以馬上測出酒精濃度，應酬喝酒可以自己檢測，吹氣顯示綠燈才上路，不怕酒駕危險，造成公共危險。
Honeywell的微型MEMS真空泵利用像渦輪的葉片實現手持式分析儀
台灣工研院研發的MEMS“酒精感測芯片”應用於可穿戴設備
紛繁複雜的氣體傳感器技術
氣體傳感器應用範圍廣泛，不同的應用都擁有不同的技術要求，一般由被測氣體類型、靈敏度、選擇性、響應時間、壽命和功耗決定。從技術的角度分類，氣體傳感器主要可分為：半導體型氣體傳感器、電化學型氣體傳感器、PID氣體傳感器、光化學型氣體傳感器、催化燃燒式傳感器等。
半導體型氣體傳感器
自從1962年半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導體型氣體傳感器已經成為當前應用最普遍、最具有實用價值的一類氣體傳感器，根據其氣敏機制又可以分為電阻式和非電阻式兩種。
電阻式半導體氣體傳感器主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用氣敏材料（例如：SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2）等金屬氧化物製成的阻抗器件。電阻式半導體氣體傳感器借助物質的吸附作用並引起表面化學反應和體原子價態的變化而導致半導體的電阻不同，從而識別不同的氣體。由於氣體的多樣性，理論解釋也難以統一，目前提出了表面電荷層模型、接觸粒界勢壘模型、能級生成理論模型、體原子價控制模型，但最廣泛的是表面電荷層模型。氣敏元件一般工作在空氣中，其中氧氣是強氧化性氣體，極易在氣敏材料表面進行物理和化學吸附。下圖（a）和（b）分別所示物理吸附和化學吸附，室溫下進行緩慢。當溫度升高，O2-進一步轉化為O-，如圖（c）所示。O-活性很高，與吸附在氣敏材料表面上的還原性氣體離子基團（如C2H5OH）迅速反應，從而引起氣敏材料電阻變化。
電阻式半導體氣體傳感器具有成本低廉、製造簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優點。不足之處是必須工作於高溫下、對氣味或氣體的選擇性差、元件參數分散、穩定性不夠理想、功率要求高。
表面電荷層模型工作示意圖
非電阻式半導體氣體傳感器是利用一些物理效應與器件特性來檢測氣體，如二極管的電壓-電流特性和場效應管（MOSFET）的閾值電壓變化特性。主要檢測氫和天然氣等可燃性氣體。其中，MOSFET氣體傳感器工作原理是揮發性有機化合物（VOC）與催化金屬接觸發生反應，反應產物擴散到MOSFET的柵極，改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而識別VOC。通過改變催化金屬的種類和膜厚可優化靈敏度和選擇性，並可改變工作溫度。MOSFET氣體傳感器靈敏度高，但製作工藝比較複雜，成本高。
電化學型氣體傳感器
電化學型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分數，市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，近年來，又開發了檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器。可控電位電解式傳感器是通過測量電解時流過的電流來檢測氣體的體積分數，和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測CO，NO，NO2，O2，SO2等氣體外，還能檢測血液中的氧體積分數。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質反應產生的電流來檢測氣體的體積分數。離子電極式氣體傳感器出現得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的體積分數已電化學式氣體傳感器主要的優點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。
電化學型氣體傳感器結構示意圖
光學式氣體傳感器
光學式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學材料型等。主要以紅外吸收型氣體分析儀為主，由於不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。這類傳感器具有高抗振能力和抗污染能力，與計算機相結合，能連續測試分析氣體，具有自動校正、自動運行的功能。
各種氣體吸收紅外線光譜圖
光纖氣敏傳感器的主要部分是兩端塗有活性物質的玻璃光纖。活性物質中含有固定在有機聚合物基質上的熒光染料，當VOC與熒光染料發生作用時，染料極性發生變化，使其熒光發射光譜發生位移。用光脈衝照射傳感器時，熒光染料會發射不同頻率的光，檢測熒光染料發射的光，可識別VOC。
PID氣體傳感器
PID（Photo Ionization Detector）光離子傳感器利是使用具有特定電離能的真空紫外燈產生紫外線，當有機氣體分子在電離室對氣體分子進行轟擊，把氣體中含有的有機物分子電離擊碎成帶正電的離子和帶負電的電子。在極化極板的電場作用下，離子和電子向極板撞擊，從而形成可被探測到微弱的離子電流。這些電離的微粒產生的電流經過放大，就能在儀表上顯示ppm級的濃度。這些離子經過電極後很快就重新組合到一起變成原來的有機分子。在此過程中分子不會有任何損壞；PID不會“燒毀”也不用經常更換標樣氣體，這樣一來，經過PID檢測的氣體仍可被收集做進一步的測定。
PID氣體傳感器工作原理
PID氣體探測器能夠檢測極低濃度揮發性有機化合物（VOC）和其它有毒氣體。尤其是對VOC的靈敏檢測使其在應急事故檢測中具有無可替代的作用。
催化燃燒式氣體傳感器
催化燃燒式傳感器的工作原理是氣敏材料（如Pt電熱絲等）在通電狀態下，可燃性氣體在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由於燃燒而升溫，從而使其電阻值發生變化。實際應用採用惠斯通電橋測量電路。電橋中的黑元件是檢測元件，白元件為補償元件，白元件與黑元件相比之缺少催化劑層，也就是說白元件遇到可燃氣體不能燃燒。當空氣總有一定濃度的可燃氣體時，黑元件由於燃燒而電阻值上升，電橋失去平衡，由電壓輸出，起到檢測作用。
左圖：催化元件示意圖（1-催化劑；2-載體；3-Pt電熱絲）；右圖：催化元件測試電路
這種傳感器對不燃燒氣體不敏感，因而可以專門檢測各種可燃氣體，普遍適用於石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監測和報警。該傳感器在環境溫度下非常穩定，並能對處於爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進行檢測。
契合未來趨勢，市場潛力巨大
隨著健康問題越來越得到關注，大氣質量、室內空氣質量、車內空氣質量監控數據則成為人們隨時隨地想看到的數據，氣體傳感器在這一過程中無疑將扮演更加重要的角色。隨著MEMS技術的進步，氣體傳感器也在向微型化、集成化、智能化的方向發展轉化，伴隨智慧家庭和智能可穿戴設備等潛力市場的成長，必然不斷會有新的氣體傳感器市場出現。可以說，氣體傳感器在工業和消費兩大市場都已經做好了騰飛的準備。
根據Yole市場調研，目前氣體傳感器市場主要受暖通空調（HVAC）驅動增長，而未來將受消費類應用驅動增長。2014年，氣體傳感器市場規模為5.6億美元，預計2021年將達到9.2億美元，未來五年的複合年增長率為7.3%。
2014-2021年氣體傳感器市場營收預測
氣體傳感器生產企業主要集中在英日德美和中國。氣體傳感器相關企業有英國城市技術公司（City）、日本Figaro、英國Alphasense、中國煒盛科技等。國內方面，主要的氣體傳感器企業有煒盛科技、天津費加羅（中日合資）、718所、重慶煤科院和山西騰星等，歌爾股份也在今年9月推出了新研發的檢測可揮發性氣體（VOC）的氣體傳感器。其中，煒盛科技是目前國內唯一能生產半導體類、催化燃燒類、電化學類和紅外光學類等四大類氣體傳感器的企業。公司每年為全球市場提供超過1500萬支的各類氣體傳感器，廣泛用於工業和民用可燃和有毒氣體探測等領域，成為國內當之無愧的氣體傳感器的龍頭企業。
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