随着物联网以及人工智能技术的普及，传感器，这一将物体与人泛在链接的关键装置逐渐步入大众视野。而气体传感器，作为传感器领域至关重要的一门，其技术的推进也直接关系到传感器领域的发展。
近年来，随着国家在大气污染治理、工业转型升级、物联网及人工智能、健康中国行动等多方面鼓励性政策的推出，以及终端消费市场对智能家居、便携化设备和可穿戴设备的青睐，气体传感器行业迎来了良好的市场环境和较大的发展空间。
本文将通过概述气体传感器行业以及其技术研发现状、市场现状、应用领域、未来发展趋势等方面详解气体传感器这一潜力赛道。
【01】气体传感器行业概述及技术研发现状
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，其不仅可以识别气味，还可以将气味这一重要感知能力进行数字化，并将其纳入信息技术、互联网的处理范围内。通过将纳米材料、人工智能与大数据技术有机结合，能够将不同的实际应用场景的气味转化为计算机可以识别的量化信息，并将气味数字信息进行加工、传输和计算，在诸多领域创造新的产品、应用和市场。
材料、硬件设计与软件算法是传感器研发核心。自20世纪70年代首个金属氧化物（MOX）半导体薄膜气体传感器诞生至今，气体传感器经历多轮技术升级及工艺提升，已经形成了以半导体、电化学、催化燃烧、光学等为主的多技术发展路径。由于光学式气体传感器具有高精度、抗干扰、稳定性强等特点，而市场对于高精度测量的需求不断增加，近年来，光学式气体传感器市场份额逐渐扩大。
从材料端来看，气敏材料是决定气体传感器灵敏度、选择性及稳定性等性能最重要的因素之一。近年来，随着高性能复合材料的不断发展，人们发现以高分子为基体制备的导电纳米复合材料能够用于VOCs的检测，且具有适应范围广、分子结构设计灵活、易加成型、柔性及成本低等优点。
从软件算法端来看，直到现在，未出现专门针对于嗅觉识别的算法。在20世纪90年代，由于计算机硬件性能有限，嗅觉模式识别主要采用主元成分分析(PCA)、线性判别分析(LDA)等降维算法方式。该方法计算量较小，对硬件依赖较低，也便于可视化输出结果。随着计算机硬件能力的提升，基于人工神经网络(ANN)的算法也在嗅觉感知系统中被使用。近几年，随着机器学习、深度学习等在视觉识别、语义判定以及下棋决策等众多领域中应用的不断深入，采用卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN)对整体响应曲线进行分析并提取特征进行分类判定的方法取得了非常好的效果，但该算法未将一些与传感器相关的时序特征有效提取，导致效率较低。
整体来看，随着气体传感器下游应用场景的不断丰富，传感器材料、硬件设备以及软件都将进一步发展，以满足市场对于其日趋严格的要求。
【02】气体传感器市场现状及应用领域
气体传感器广泛应用于工业、物联网、生活的各个方面，尤其在化工、冶金、环保、医疗、食品等诸多领域。近年来，随着物联网的高速发展，气体传感器在新兴的智能家居、可穿戴设备、智能移动终端等领域的应用突飞猛进，需求量也发生数量级的改变。根据前瞻产业研究院，2018年全球传感器整体市场规模2059亿美元，预计到2022年增长到2,372亿元。其中,气体传感器行业具备长期成长动力，前瞻产业研究院预计到2020年产业规模将达到600亿元以上，主要系汽车电子、智慧医疗等产业处于高速发展期。
汽车电子领域
目前，气体传感器广泛应用于燃油车舒适系统、新能源车智能座舱舒适系统以及动力电池热失控气体实时监控。随着市场及政策对车舱空气检测要求的日益提升，气体传感器产品针对车内外空气环境，检测对象从粉尘和二氧化碳逐步扩展至甲醛、VOC、香氛和负离子，不同应用场景需求的新型气体传感器市场就此打开，产值和利润得以提升。据中汽协中泰研究预测，预计到2025年我国新能源汽车销量将达到1045万辆【1】，对应动力电池监测模块潜在市场规模将超20亿【2】。
而随着我国对环保事业的越发重视，针对汽车发动机排放的检测愈来愈严格，设备更新需求下，尾气分析仪市场逐步扩大。当前，国内市场多由国外厂商垄断，国内企业用户采购成本高昂。由于用于排放研究和认证的高端汽车排放检测设备不同于一般的分析仪器，它包括红外气体检测、化学发光或者紫外气体检测、CVS排气流量检测或者高湿瞬态尾气流量检测等核心模块，目前，国内分析仪器行业很少有企业同时具备气体分析领域的多种传感器技术平台以及发动机排放检测的专业知识，因此实现这种既需要高技术，又需要高度集成的高端汽车排放检测设备仍具有较高的难度。
智慧医疗领域
在医疗领域，气体传感器企业产品集中在呼吸机、制氧机和肺功能检测机的传感器及系统研发上。当前，呼气检测作为新兴的体外诊断POCT领域，市场尚处于培育阶段。从药监批准上市算起，目前市场规模最大的幽门螺杆菌呼气检测的历史不到25年，市场发展潜力最大的炎症NO呼气检测的发展才10年；而其它的呼气检测技术还在萌芽阶段。随着分级诊疗体系的完善以及慢病管理日益受到重视，呼吸检测行业受到国家政策大力支持。未来受新兴呼气检测项目接受度提高及不断增加的临床覆盖的驱动，呼吸检测市场将进一步增长，预计到2025年，呼气检测市场规模将达到人民币72.83亿元，复合年增长率为19.5%。
而随着呼气诊断用途的不断丰富，未来或将可用于疾病早期识别与监控中。当前，VOCs分析在疾病初筛和早期识别中的应用愈发受到关注，而气体传感器，较之质谱、色谱等较大型分析仪器，具有体积小，成本低、操作简单，无创性、快速检测等优势，在大规模人群呼出气VOCs的检测中有良好的应用前景。呼气VOC检测产品在B端可以用于医院体检、ICU临床检测，体检中心和养老机构补充现有检测设备功能的不足或替代现有灵敏度或者特异性无法满足临床要求的产品；C端还创造了日常检测和癌症患者实时跟踪检测的增量市场。在专业医疗机构的总市场规模将达到400亿以上，在体检和家用市场的总市场规模将达到千亿级。
室内空气安全监测领域
在民用空气品质领域，随着居民健康意识提升后空气净化市场需求旺盛，室内空气品质领域后续需求乐观。预计到2025年，我国空气净化器和新风产品总量达到1475万台【3】，相关市场空间约53亿【4】。而作为空气净化器和新风产品的核心零部件，气体传感器需求也将进一步扩大。
同时，随着室内消防安全意识不断提升，室内安全监测需求市场前景也将更为广阔。气体传感器可实现厨房实时监测CH4、CO2气体浓度，判断燃气是否存在泄漏情况，保障室内环境的安全健康的功能，而我国家用燃气安全报警器渗透率约为7%，北上深等一线城市餐饮业渗透率不足30%，预计2025年潜在市场规模将达到24.38亿【5】。
食品安全与保鲜
由于新冠疫情的反复，居家人数和时长在不断增加，人们对于食物储存的要求也不断提升。而带有食品新鲜度检测模块的智能冰箱，在助力冰箱智能化转型的同时，满足人们对食品新鲜度日益增长的需求，预计2025年相关潜在市场规模将达到3.69亿元【6】。
同时，随着安全意识和健康理念深入人心，食品安全快速检测行业迎来快速增长。在以电子鼻为代表的检测仪器应用到食品领域，一种针对挥发性风味物质的新型检测方式也为食品安全带来更多重的保障。数据显示，2019年我国食品安全检测产业市场规模达835亿元，2020年受疫情影响，增速放缓。预计2022年我国食品安全检测市场规模将达1204亿元。而我国食品快速检测的投入规模约占食品检测总投入规模的30%，预计到2022年国内食品安全快速检测市场规模为153亿元【7】。
工业生产制造加工
随着消费者对使用产品的健康和环保问题的日益关注，产品及其原材料的异（气）味逐渐引起消费者和质量监管方的重视。针对恶臭的整治已经成为了一项涉及到社会稳定和谐的重要工程。而恶臭排放具有时间不确定性，导致了环保部门的取证难、执法难，因此急需建立实时的、高效的、快速的恶臭自动监测系统，对恶臭情况进行24小时连续监控。该种情况下，能够在复杂情况中，快速响应的，实现多种气体检测的恶臭分析仪，保证了监测数据的准确性和连续性，为管理者提供数据分析并兼有预警功能，预计相关潜在市场规模约为14亿元。
在天然气臭剂检测方面，因添加臭剂可以在燃气泄漏时通过异常的臭味来提示用户，随着天然气的大量开发和广泛应用，燃气加臭越来越受到了人们的重视。由于在较大城市管网中，臭剂传输的距离较长时会发生沉降、吸附、浓度会降低，因此，对臭剂浓度的监测显得尤为重要。基于物联网实时检测的市场目前尚处于空白，臭剂浓度检测潜在市场规模约50亿。
【03】气体传感器未来趋势
当前，国内气体传感器产品主要围绕单一气体感知传感器、传感模块构成，气体传感器整体一致性较差，使用寿命较低，且成本居高不下。而随着气体传感器下游应用市场的逐步扩大以及市场对于气体传感器灵敏度、通用性要求的不断提升，气体传感器需向微型化、多功能化、智能化等方向发展，以此满足不同领域对气体检测的应用需求。
通过MEMS等工艺实现传感器体积微型化，使其具备重量减轻、体积缩小、准确度高、功耗低、互换性好等优点，提升企业生产效率，降低企业生产成本。多功能发展体现在气体传感器检测仪能够实现多参数测试，多种气体的检测与识别，从而将被测气体在体征环境中表现出的特性更全面的呈现出来。而智能化发展主要体现在气体传感器嵌入微处理器，使得气体传感器具备故障显示与自动校准的功能，实现数据存储、逻辑判断和功能计算等。
在物联网高速发展的的驱动以及国家在食品安全、空气检测、汽车电子、智慧医疗领域频发的政策支持下，气体传感器将迎来持续、广阔的增长空间，一些具有全局观、前瞻意识的创新型企业，如中科微感等涌现。而在这之中，掌握气体传感器的关键——气敏材料以及拥有气体传感器全链条技术平台的企业，将在抢占气味数字化这片蓝海中率先获得一席之地。
资料来源：
【1】中汽协中泰研究预测
【2】中泰研究中科优势预测
【3】奥维云网华经产业研究院中科优势预测
【4】中泰研究中科优势预测
【5】奥威云网中科优势预测
【6】国家统计局中科优势预测
【7】中国连锁经营协会食品安全委员会、中商产业研究院整理
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