人工智能时代车载气体传感器研究与应用

杨 斌

(科技部高技术研究中心，北京 100044)

0 引 言

汽车技术发展特征之一是越来越多的部件采用电子控制，传感器在其中发挥了重要的作用。随着新一代物联网(IoT)和人工智能(AI)技术的发展，对汽车的安全、节能和自动化智能程度的要求不断提升。目前，普通汽车上的传感器已达几十只，高端汽车的传感器已达百余只。其中，用于监测汽车尾气、车内空气污染物和驾驶员呼气、以及新能源汽车燃料泄露的各类气体传感器的研究和应用已取得很大进展，对于保障汽车安全、高效运行和节能环保起到了重要作用。最早运用于汽车的气体传感器是基于固态电解质的氧传感器。最近10年，随着电子技术的突破和纳米材料的引入，多种新型气体传感器成功实现商业化，并成功运用于汽车领域，一方面，进一步提高了汽车尾气的排放水平，用以满足日益苛刻的环保要求；另一方面，也提高了车厢内的驾乘环境，提升了舒适度。

新一代物联网与人工智能技术的发展对高灵敏度、高可靠性气体传感器和芯片提出了迫切需求，也为车载气体传感器带来了新的挑战与发展机遇。车载气体传感器相比于其他领域的气体传感器有着更高的要求，需要具备高灵敏度、高智能、低功耗、小体积、长寿命、易集成、抗冲击的特点。随着微纳加工技术、人工智能技术与物联网技术的发展，将会有更多、更智能的气体传感器元件和芯片在汽车行业中得到运用，进一步提升燃油效率与对环境感知的能力。另外，随着氢能源汽车的投入使用，对氢燃料泄漏的探测十分重要。

本文结合具体应用场景，综述了车载传感器国内外研究进展与应用现状，同时展望了人工智能时代车载气体传感器的应用。

1 车用气体传感器种类与工作原理

最早用于汽车的气体传感器是用于燃烧过程控制的氧传感器。20世纪50年代至60年代，Kiukkola，Wagner，Peters和Mobius根据能斯特原理开发了固态电解质氧分压传感器，并成功用于汽油机燃烧过程控制，极大地提高了汽油机燃油效率与排放水平。发动机工作时，燃料与空气发生反应时放出热量，当燃料与空气的比值(空燃比)在14.7时，燃料充分燃烧，这个也被称为最佳空燃比。当空燃比大于此值时，空气的量较多而燃料的量较少，此时燃烧产生的热量会被多余的空气所带走，降低了发动机的效率。另一方面，当空燃比小于此数值时，燃料的量较多，空气的量较少，燃料不能完全燃烧，燃料的化学能没有完全释放出来，也会降低发动机的效率。因此，根据发动机尾气气氛种类与体积分数的数据实时调整发动机空燃比，使得发动机工作在最佳条件下，可以提高燃料的利用率，进而降低污染气氛的排放。

由于发动机尾气的温度在600 ℃以上，因此氧传感器需要工作在较高的温度。氧化锆(ZrO2)在高温下(700～1 200 ℃)为优秀的氧离子导体。在ZrO2两端的氧气体积分数不同时，其体内氧离子会从氧气高体积分数一端向低体积分数一端移动，进而形成电流(图1)。根据该原理，采用钇掺杂氧化锆(YSZ)进一步提高敏感材料的稳定性和氧离子的传输性能，设计出了浓差电池型氧传感器，并由博世公司在1976年实现商业化。在实际应用过程中，通常将传感器的一端通入参比空气，另一端暴露于汽车尾气中，测量相应的电势，来计算出汽车尾气的氧含量。该类型传感器具有工作温度高、响应性好的优点，一直用于内燃机燃烧过程控制中[1]。

图1 ZrO2氧传感器原理

随着人们对生活环境越来越重视，对车内环境的要求也越来越高。车厢内是乘员活动的主要场所，车厢内环境气氛会影响乘员健康，严重时还会危害行车安全。例如，发动机废气可随着空调外循环系统进入车厢中，废气中的氮氧化物会刺激人体呼吸系统，引发驾乘人员的不适，甚至影响驾驶员判断。若长期使用空调内循环系统，会使得车厢内二氧化碳(CO2)体积分数升高，当CO2体积分数较高时会使人感到胸闷、头昏、心悸，严重影响驾乘人员的感受，危害行车安全。另一方面，饮酒驾驶已成为目前危害行车安全的重要因素之一，车辆主动预防酒驾是控制酒驾的方式之一。在车厢内主驾驶一侧安装酒精探测器可以有效检测驾驶员的饮酒状态，保证行车安全。由于车厢内空间有限，同时需要监测较多种类的气氛，因此需要各类不同原理的小型气体传感器。

半导体气体传感器工作原理：当气体吸附在气敏材料表面时，会与敏感材料发生可逆氧化还原反应，导致敏感材料的电子发生得失，从而改变气敏材料的电学性能，通过检测其电学性能的变化，即可准确检测气体。相比其他种类的气体传感器，这类传感器的优势是制备简单，成本低廉，易于阵列化装配，已应用于室内污染物监控中。

半导体气体传感器的响应机理主要是氧离化模型(又称Langmuir-Hinshelwood模型)，具体指的是半导体材料在空气状态下吸附环境中的氧气分子，发生如下的反应(图2)[2]

图2 半导体气体传感器工作原理

这样，在材料的表面电子的数量会减少，形成耗尽层。当外界的气氛发生改变时，其他气体分子会与吸附的氧负离子反应，将电子还给材料

此时，材料的电学状态会发生改变，这个过程即是材料的气敏响应。不同的敏感材料会吸附不同的气氛，通过选择合适的敏感材料可以实现对不同气体的响应。

红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体体积分数与吸收强度关系来检测气体组分并确定其体积分数的气体传感装置。不同的气体分子由于其原子组成和分子结构不同，会吸收不同波段的红外光谱，即该气体分子的特征吸收谱线，同时，其吸收谱线的强度与气体体积分数呈正相关，因此，可以通过确定吸收谱线的峰位与强度来确定检测气体的种类与体积分数。

非色散红外(non-dispersive infrared，NDIR)光谱法气体传感器主要由光源、气腔、滤光片与红外探测器组成，光源提供宽谱的红外光，待测气体进入气腔，滤光片将被气体吸收后的红外光过滤成特征波段的红外光，采用红外探测器来探测特征波段红外光的强度(如图3)。该特征峰的强度与浓度满足朗伯—比尔(Lambert-Beer)定律：I=I0exp(-KLC)。因此,可以通过该公式计算得到待测气体的体积分数。

图3 红外NDIR气体传感器原理

随着微纳加工技术的发展，半导体气体传感器与红外气体传感器可实现更小尺寸的加工制造，实现阵列化集成，同时大幅降低尺寸与功耗。阵列气敏元件配合深度学习技术，可以完成复杂环境中的气氛精确识别，非常适合车内气氛的监测。

2 汽车尾气监测用气体传感器研究与应用

1976年,德国博世公司率先成功实现YSZ氧传感器的批量生产并用于发动机空燃比控制，取得了巨大的经济与社会效益。20世纪90年代，博世公司将氧传感器的制备工艺进行升级，结合丝网印刷工艺完成平板式YSZ氧传感器制备与量产，进一步巩固了其领先地位。

随着发动机技术的发展，为了进一步提高燃料利用效率，越来越多的发动机选择缸内直喷与缸内分层燃烧技术，这些技术要求发动机工作在稀薄燃烧区域中(即空气过剩，典型空燃比为22)，同时需要精确控制空燃比。传统的基于YSZ浓差电池型氧传感器在此区域灵敏度显著降低，无法胜任。为了实现对稀薄燃烧区的空燃比的精确控制，在氧化锆浓差电池型的基础上，研制了极限电流型与宽域型氧传感器。这两种氧传感器结合氧泵原理与氧浓差电池原理，实现对更大范围的氧分压变化的测量[3]。另一方面，当发动机工作在稀薄燃烧区中，过量的氮气会与氧气在高温下反应生成氮氧化物，对环境产生污染。在汽车尾气处理中，会选用三元催化剂将氮氧化物催化反应成氮气再排放到空气中。随着汽车排放要求的日益严格，为了更好地控制氮氧化物催化反应的过程，在汽车尾气排放中也需要相应传感器来实时监测氮氧化物的体积分数。基于ZrO2基氧传感器的成功应用，开发出了混成电位型氮氧化物传感器。该传感器选用能与氮氧化物反应的金属氧化物材料作为敏感电极，配合金属Pt参比电极，比较敏感电极与参比电极的电势差即可推算出氮氧化物体积分数[4]。根据目前汽车尾气排放的要求，在发动机总成系统中，至少需要1只氧传感器与1只氮氧化物传感器。

由于国内汽车行业起步较晚，核心发动机总成一直依赖进口，因此，在前装市场中，国内在发动机总成中一直使用德国博世公司与日本电装、NGK公司的氧传感器与氮氧化物传感器。随着国内汽车保有量持续的增加，国产化程度持续深入，国产氧传感器与氮氧化物传感器在前装与维保市场中有巨大的市场。宁波大学简家文教授课题组一直从事氧化锆基氧传感器的研究，研发出一系列片式极限电流型、宽域型氧传感器，并成功应用于汽车后装、维修配件市场[5,6]。吉林大学卢革宇教授团队一直致力于混成电位传感器的研究，包括敏感电极材料与整体结构，开发出了一系列金属氧化物材料作为敏感电极，提升了混成电位传感器的性能[7,8]。

3 车内环境监测用气体传感器研究与应用

氮氧化物会对人类身体健康产生重大的影响，如产生神经退行性疾病、肺气肿、支气管炎等呼吸道疾病，车厢内氮氧化物主要来源于发动机废气。但在尾气检测中采用的混成电位传感器无法在车厢中使用。因为，该传感器需要工作在600 ℃，车厢中电源无法提供如此高的能耗，同时，在车厢中氮氧化物体积分数一般低于发动机尾气中，该类型传感器无法检测低体积分数的氮氧化物的变化。由于氮氧化物具有一定的极性，半导体气体传感器会对其有较好的响应。但传统金属氧化物半导体(ZnO、SnO2等)仍需要一定温度激活(300～400 ℃)才能与之响应，且响应恢复时间达到分钟级别，仍然无法在该场景使用。华中科技大学刘欢教授课题组采用胶体量子点无机配体置换策略，制备了具备室温响应的量子点硫化铅氮氧化物传感器，根据胶体量子点表面活性高的特点，实现了在室温条件下对氮氧化物的高响应。该传感器对体积分数为50×10-6的NO2的响应达到21，同时具有快速的响应与恢复(小于30 s)，检测限低至84×10-9[9]。该量子点氮氧化物传感器可以显著降低传感器功耗，满足车载应用要求。

饮酒驾驶会造成严重的安全隐患，在车厢内对酒精(乙醇)的检测具有重要的意义。乙醇也具有一定极性,半导体传感器会对其有较好的响应。市面上已有较多的乙醇传感器投入使用，但大多数乙醇传感器性能会随着湿度变化而发生漂移。在酒驾监控应用中，由于人体呼出气中有较多的水分，无法使用传统的乙醇传感器。如何能消除测试中水分的干扰是实现该应用的关键。韩国高丽大学Lee J H 课题组研发了PbTiO3钙钛矿型乙醇气体传感器，利用该钙钛矿材料的特殊形貌与性能，实现了在20 %～80 %RH湿度环境下对乙醇气体的响应保持恒定，同时，检测下限达100×10-9，满足酒驾监测的要求[10]。

长时间使用空调内循环系统会使得CO2气体积累，当CO2体积分数达到2 %时，会出现头晕、头痛、肌肉无力、全身酸软等不适之感，危害驾乘人员的身体健康，引发行车事故。CO2是惰性气体，在常温下一般不与敏感材料发生反应。采用传统的化学测量的方法较难准确测定其体积分数。而CO2在4.2 μm红外光谱范围内存在特征吸收峰，因此采用红外NDIR传感器来检测CO2具有独特的优势。但传统的NDIR传感器由于尺寸较大，无法在车厢内集成。随着微纳技术的发展，采用半导体光源与微机电系统(MEMS)技术制备的微型气腔与探测器，使得NDIR气体传感器的尺寸大幅缩小。英国GSS公司开发的NDIR CO2传感器尺寸已缩小至2 cm，精度可达70×10-6，已满足车载使用要求[11]。

汽车车厢环境监测任务复杂，传统金属氧化物半导体敏感材料难以胜任，需开发基于量子点、钙钛矿等多种高性能敏感材料。同时，汽车车厢空间有限，且供电受限，要求气体传感器具有微型化、低功耗的特点。借助于微纳加工技术的发展，通过优化结构设计，使得半导体传感器与红外NDIR传感器尺寸功耗相对之前有大幅缩小。同时，车厢内探测气体种类需求较多，单传感器无法完成所有的气体的检测。在缩小尺寸的基础上，需要将多只、多种传感器集成在一起，形成传感器阵列，获得环境全方位的数据(气体体积分数、温、湿度等)，完成多种特定气体的识别。目前，德国博世公司和瑞士Sensirion公司已开发出集成4种半导体气体传感器与温、湿度传感器的气敏阵列模组，用于环境污染物监测[12,13]。下一步，研发新型高性能敏感材料、异质集成多种传感器形成阵列、融合深度学习等人工智能技术实现对生物嗅觉系统的模拟，完成智能人工嗅觉系统构建，可实现对车厢复杂环境中不同气氛的精准识别，为营造舒适驾乘环境，保障行车安全提供支持。

4 新能源汽车用氢气传感器研究与应用

氢能被公认为最具发展潜力的高效替代新能源，具有能量密度大、转化效率高、储量丰富和适用范围广等特点，可实现零排放，氢燃料电池汽车是人们寄予希望迈入“氢能时代”的突破口。国内也在氢能源汽车上实施了一系列促进政策。另一方面，氢气是一种无色无味的易燃性气体，空气中体积分数为4.1 %～74.8 %时,极易引爆，带来一定的安全隐患。因此，在氢能源汽车中急需快速响应的氢气传感器来监测储氢罐泄漏，以便及时切断储氢罐氢气供应，保障氢能汽车的安全。传统的催化燃烧式传感器已无法满足氢能源汽车的使用要求。催化燃烧式传感器是依据可燃气体催化燃烧产生热效应的原理进行检测，其传感器需要工作温度在400 ℃以上，不仅功耗较高，而且，当氢气泄漏体积分数较大时，会存在安全隐患，同时，该类传感器对各类可燃气体(例如碳氢化合物和一氧化碳)都十分敏感，导致选择性不足。

贵金属材料对于氢气有独特的催化性能，传统催化燃烧式传感器也采用贵金属做敏感材料，贵金属与氢气之间的催化反应同样会引起材料的电子得失。但在常温或低温下，该反应较弱，采用传统对电极方式测试时信号较小，无法完成检测。场效应管(field effect transistor,FET)式气体传感器是采用场效应管作为转换器件，敏感材料作为修饰栅极，利用场效应管的电场调制效应进行气敏测试。敏感材料在与气体进行反应后，场效应管的半导体电学特性(电导率、载流子浓度、迁移率、阈值电压等)会随着气体体积分数发生变化。FET型氢气传感器采用金属钯作为栅极，利用钯的催化作用使氢气分子电离引起钯的功函数发生相应改变来获取氢气体积分数信息(图4)。采用该器件结构时，敏感材料上微弱电信号的改变可以通过场效应管进行放大，特别适合于低温及微量体积分数气体的检测。韩国高等科学技术研究院Inkyu Park课题组采用Pd敏化的Si纳米线作为栅极实现了在室温对体积分数为0.1 %氢气的检测，响应度达到2.5[14]，美国加州大学河滨分校Myung课题组采用Pd敏化单壁碳纳米管作为栅极实现了在室温对于体积分数为500×10-6氢气的检测，响应度达到1.13[15]。可以看出，FET氢气传感器由于具有独特的电流调制效应和放大效应，在精度和检测限等方面具有明显优势，适合于氢能源汽车中的应用。

图4 FET顶栅型气体传感器结构示意

5 总结与展望

随着人工智能技术持续创新和与经济社会深度融合，人工智能产业已上升为国家战略，智能传感器正成为各个发达国家竞相角逐的技术高点之一。国务院《新一代人工智能发展规划》中明确提出“发展支撑新一代物联网的高灵敏度、高可靠性智能传感器件和芯片”。汽车智能化程度进一步提高，车载气体传感器将在动力系统监测与车厢环境监测中发挥巨大的作用。在动力系统监测中，根据路面状况与行驶动态，实时监测燃烧过程，精确控制空燃比，降低污染排放；或是监控氢气泄漏状况，提高氢能源汽车安全性。在车厢环境监测中，实时监测车厢中污染物和二氧化碳体积分数，合理控制空调系统运作，营造舒适的驾乘环境，保障安全行车。国内在高性能敏感材料与气体传感器阵列集成化制造领域陆续开始布局，希望通过国家计划的布置与牵引，实现国内在气体传感器领域的进步，为气体传感器在汽车领域中的全面应用打下坚实的基础。