Dengan pesatnya perkembangan teknologi seperti Internet of Things dan kecerdasan buatan, sensor gas, sebuah perangkat penginderaan penting yang dikenal sebagai "lima indra listrik", sedang meraih peluang pengembangan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dari pemantauan awal gas beracun dan berbahaya industri hingga penerapannya yang luas dalam diagnosis medis, rumah pintar, pemantauan lingkungan, dan bidang lainnya saat ini, teknologi sensor gas sedang mengalami transformasi mendalam dari fungsi tunggal menjadi kecerdasan, miniaturisasi, dan multidimensi. Artikel ini akan menganalisis secara komprehensif karakteristik teknis, kemajuan penelitian terbaru, dan status aplikasi global sensor gas, dengan perhatian khusus pada tren perkembangan di bidang pemantauan gas di negara-negara seperti Tiongkok dan Amerika Serikat.
Karakteristik teknis dan tren pengembangan sensor gas
Sebagai konverter yang mengubah fraksi volume gas tertentu menjadi sinyal listrik yang sesuai, sensor gas telah menjadi komponen penting dan tak terpisahkan dalam teknologi penginderaan modern. Peralatan ini memproses sampel gas melalui kepala deteksi, yang biasanya mencakup langkah-langkah seperti penyaringan pengotor dan gas pengganggu, pengeringan atau pendinginan, dan akhirnya mengubah informasi konsentrasi gas menjadi sinyal listrik yang terukur. Saat ini, terdapat berbagai jenis sensor gas di pasaran, termasuk jenis semikonduktor, jenis elektrokimia, jenis pembakaran katalitik, sensor gas inframerah, dan sensor gas fotoionisasi (PID), dll. Masing-masing memiliki karakteristik tersendiri dan banyak digunakan dalam bidang pengujian sipil, industri, dan lingkungan.
Stabilitas dan sensitivitas adalah dua indikator inti untuk mengevaluasi kinerja sensor gas. Stabilitas mengacu pada persistensi respons dasar sensor selama seluruh waktu kerjanya, yang bergantung pada penyimpangan nol dan penyimpangan interval. Idealnya, untuk sensor berkualitas tinggi dalam kondisi kerja berkelanjutan, penyimpangan nol tahunan harus kurang dari 10%. Sensitivitas mengacu pada rasio perubahan keluaran sensor terhadap perubahan masukan terukur. Sensitivitas berbagai jenis sensor sangat bervariasi, terutama bergantung pada prinsip teknis dan pemilihan material yang diadopsi. Selain itu, selektivitas (yaitu, sensitivitas silang) dan ketahanan korosi juga merupakan parameter penting untuk mengevaluasi kinerja sensor gas. Yang pertama menentukan kemampuan pengenalan sensor dalam lingkungan gas campuran, sedangkan yang terakhir terkait dengan toleransi sensor dalam gas target konsentrasi tinggi.
Perkembangan teknologi sensor gas saat ini menghadirkan beberapa tren yang jelas. Pertama, penelitian dan pengembangan material serta proses baru terus berkembang. Material semikonduktor oksida logam tradisional seperti ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, dll., telah matang. Para peneliti melakukan doping, modifikasi, dan modifikasi permukaan pada material sensitif gas yang ada melalui metode modifikasi kimia, sekaligus menyempurnakan proses pembentukan film untuk meningkatkan stabilitas dan selektivitas sensor. Sementara itu, pengembangan material baru seperti material sensitif gas semikonduktor komposit dan hibrida serta material sensitif gas polimer juga sedang gencar dikembangkan. Material-material ini menunjukkan sensitivitas, selektivitas, dan stabilitas yang lebih tinggi terhadap berbagai jenis gas.
Kecerdasan sensor merupakan arah pengembangan penting lainnya. Dengan keberhasilan penerapan teknologi material baru seperti nanoteknologi dan teknologi film tipis, sensor gas menjadi lebih terintegrasi dan cerdas. Dengan memanfaatkan sepenuhnya teknologi terintegrasi multidisiplin seperti teknologi mikromekanik dan mikroelektronika, teknologi komputer, teknologi pemrosesan sinyal, teknologi sensor, dan teknologi diagnosis kesalahan, para peneliti sedang mengembangkan sensor gas cerdas digital otomatis penuh yang mampu memantau beberapa gas secara bersamaan. Sensor multivariabel tipe resistansi-potensial kimia yang baru-baru ini dikembangkan oleh kelompok riset Associate Professor Yi Jianxin dari Laboratorium Kunci Negara Ilmu Kebakaran di Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok merupakan representasi khas dari tren ini. Sensor ini mewujudkan deteksi tiga dimensi dan identifikasi akurat beberapa gas dan karakteristik api oleh satu perangkat.
Arrayisasi dan optimasi algoritma juga semakin mendapat perhatian. Karena masalah respons spektrum luas dari satu sensor gas, sensor tersebut rentan terhadap interferensi ketika terdapat beberapa gas secara bersamaan. Menggunakan beberapa sensor gas untuk membentuk array telah menjadi solusi efektif untuk meningkatkan kemampuan pengenalan. Dengan meningkatkan dimensi gas yang terdeteksi, array sensor dapat memperoleh lebih banyak sinyal, yang kondusif untuk mengevaluasi lebih banyak parameter dan meningkatkan kemampuan penilaian dan pengenalan. Namun, seiring bertambahnya jumlah sensor dalam array, kompleksitas pemrosesan data juga meningkat. Oleh karena itu, optimasi array sensor menjadi sangat penting. Dalam optimasi array, metode seperti koefisien korelasi dan analisis klaster diadopsi secara luas, sementara algoritma pengenalan gas seperti Analisis Komponen Utama (PCA) dan Jaringan Saraf Tiruan (JST) telah sangat meningkatkan kemampuan pengenalan pola sensor.
Tabel: Perbandingan Kinerja Jenis Utama Sensor Gas
Jenis sensor, prinsip kerja, kelebihan dan kekurangan, umur tipikal
Adsorpsi gas tipe semikonduktor memiliki biaya rendah dalam mengubah resistansi semikonduktor, respons cepat, selektivitas buruk, dan sangat dipengaruhi oleh suhu dan kelembaban selama 2-3 tahun
Gas elektrokimia mengalami reaksi REDOKS untuk menghasilkan arus, yang memiliki selektivitas dan sensitivitas tinggi. Namun, elektrolit ini memiliki keausan yang terbatas dan masa pakai 1-2 tahun (untuk elektrolit cair).
Pembakaran gas mudah terbakar tipe pembakaran katalitik menyebabkan perubahan suhu. Sistem ini dirancang khusus untuk mendeteksi gas mudah terbakar dan hanya berlaku untuk gas mudah terbakar selama kurang lebih tiga tahun.
Gas inframerah memiliki akurasi tinggi dalam menyerap cahaya inframerah pada panjang gelombang tertentu, tidak menyebabkan keracunan, namun memiliki biaya tinggi dan volume yang relatif besar selama 5 hingga 10 tahun.
Fotoionisasi (PID) fotoionisasi ultraviolet untuk deteksi molekul gas VOC memiliki sensitivitas tinggi dan tidak dapat membedakan jenis senyawa selama 3 hingga 5 tahun
Perlu dicatat bahwa meskipun teknologi sensor gas telah membuat kemajuan yang cukup besar, masih menghadapi beberapa tantangan umum. Umur sensor membatasi aplikasi mereka di bidang-bidang tertentu. Misalnya, umur sensor semikonduktor sekitar 2 hingga 3 tahun, umur sensor gas elektrokimia sekitar 1 hingga 2 tahun karena kehilangan elektrolit, sedangkan sensor elektrokimia elektrolit solid-state dapat mencapai 5 tahun. Selain itu, masalah drift (perubahan respons sensor dari waktu ke waktu) dan masalah konsistensi (perbedaan kinerja di antara sensor dalam batch yang sama) juga merupakan faktor penting yang membatasi aplikasi sensor gas secara luas. Dalam menanggapi masalah-masalah ini, para peneliti, di satu sisi, berkomitmen untuk meningkatkan bahan yang sensitif terhadap gas dan proses manufaktur, dan di sisi lain, mereka mengkompensasi atau menekan pengaruh drift sensor pada hasil pengukuran dengan mengembangkan algoritma pemrosesan data yang canggih.
Skenario aplikasi sensor gas yang beragam
Teknologi sensor gas telah merambah setiap aspek kehidupan sosial. Skenario penerapannya telah lama melampaui cakupan pemantauan keselamatan industri tradisional dan berkembang pesat ke berbagai bidang seperti kesehatan medis, pemantauan lingkungan, rumah pintar, dan keamanan pangan. Tren aplikasi yang beragam ini tidak hanya mencerminkan kemungkinan yang dihadirkan oleh kemajuan teknologi, tetapi juga mewujudkan permintaan sosial yang terus meningkat akan deteksi gas.
Keselamatan industri dan pemantauan gas berbahaya
Dalam bidang keselamatan industri, sensor gas memainkan peran yang tak tergantikan, terutama dalam industri berisiko tinggi seperti teknik kimia, perminyakan, dan pertambangan. "Rencana Lima Tahun ke-14 untuk Produksi Bahan Kimia Berbahaya yang Aman" Tiongkok secara tegas mewajibkan kawasan industri kimia untuk membangun sistem pemantauan dan peringatan dini yang komprehensif terhadap gas beracun dan berbahaya, serta mendorong pembangunan platform pengendalian risiko cerdas. "Rencana Aksi Keselamatan Kerja Plus Internet Industri" juga mendorong kawasan industri untuk menerapkan sensor Internet of Things dan platform analisis AI guna mencapai pemantauan waktu nyata dan respons terkoordinasi terhadap risiko seperti kebocoran gas. Orientasi kebijakan ini telah sangat mendorong penerapan sensor gas di bidang keselamatan industri.
Sistem pemantauan gas industri modern telah mengembangkan beragam jalur teknis. Teknologi pencitraan awan gas memvisualisasikan kebocoran gas dengan menampilkan massa gas secara visual sebagai perubahan tingkat keabuan piksel pada citra. Kemampuan deteksinya berkaitan dengan faktor-faktor seperti konsentrasi dan volume gas yang bocor, perbedaan suhu latar belakang, dan jarak pemantauan. Teknologi spektroskopi inframerah transformasi Fourier dapat memantau lebih dari 500 jenis gas, termasuk anorganik, organik, toksik, dan berbahaya, secara kualitatif dan semi-kuantitatif, serta dapat memindai 30 jenis gas secara bersamaan. Teknologi ini cocok untuk kebutuhan pemantauan gas yang kompleks di kawasan industri kimia. Teknologi canggih ini, jika dikombinasikan dengan sensor gas konvensional, membentuk jaringan pemantauan keamanan gas industri multi-level.
Pada tingkat implementasi spesifik, sistem pemantauan gas industri harus mematuhi serangkaian standar nasional dan internasional. "Standar Desain untuk Deteksi dan Alarm Gas Mudah Terbakar dan Beracun dalam Industri Petrokimia" GB 50493-2019 dan "Spesifikasi Teknis Umum untuk Pemantauan Keselamatan Sumber Bahaya Utama Bahan Kimia Berbahaya" AQ 3035-2010 dari Tiongkok menyediakan spesifikasi teknis untuk pemantauan gas industri 26. Secara internasional, OSHA (Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Kerja Amerika Serikat) telah mengembangkan serangkaian standar deteksi gas, yang mewajibkan deteksi gas sebelum operasi ruang terbatas dan memastikan bahwa konsentrasi gas berbahaya di udara berada di bawah tingkat aman 610. Standar NFPA (Asosiasi Perlindungan Kebakaran Nasional Amerika Serikat), seperti NFPA 72 dan NFPA 54, mengajukan persyaratan khusus untuk mendeteksi gas mudah terbakar dan gas beracun 610.
Diagnosis kesehatan medis dan penyakit
Bidang medis dan kesehatan menjadi salah satu pasar aplikasi sensor gas yang paling menjanjikan. Gas yang dihembuskan dari tubuh manusia mengandung sejumlah besar biomarker yang berkaitan dengan kondisi kesehatan. Dengan mendeteksi biomarker ini, skrining dini dan pemantauan penyakit secara berkelanjutan dapat dicapai. Perangkat deteksi aseton pernapasan genggam yang dikembangkan oleh tim Dr. Wang Di dari Pusat Penelitian Super Persepsi Laboratorium Zhejiang merupakan representasi tipikal dari aplikasi ini. Perangkat ini memanfaatkan jalur teknologi kolorimetri untuk mengukur kandungan aseton dalam napas manusia yang dihembuskan dengan mendeteksi perubahan warna material yang sensitif terhadap gas, sehingga mencapai deteksi diabetes tipe 1 yang cepat dan tanpa rasa sakit.
Ketika kadar insulin dalam tubuh manusia rendah, ia tidak dapat mengubah glukosa menjadi energi dan justru memecah lemak. Sebagai salah satu produk sampingan setelah pemecahan lemak, aseton dikeluarkan dari tubuh melalui pernapasan. Dr. Wang Di menjelaskan 1. Dibandingkan dengan tes darah tradisional, metode tes napas ini menawarkan pengalaman diagnostik dan terapeutik yang lebih baik. Selain itu, tim sedang mengembangkan sensor aseton tempel "pelepasan harian". Perangkat yang dapat dikenakan dan berbiaya rendah ini dapat secara otomatis mengukur gas aseton yang dipancarkan dari kulit sepanjang waktu. Di masa mendatang, jika dikombinasikan dengan teknologi kecerdasan buatan, perangkat ini dapat membantu dalam diagnosis, pemantauan, dan panduan pengobatan diabetes.
Selain diabetes, sensor gas juga menunjukkan potensi besar dalam pengelolaan penyakit kronis dan pemantauan penyakit pernapasan. Kurva konsentrasi karbon dioksida merupakan dasar penting untuk menilai status ventilasi paru pasien, sementara kurva konsentrasi penanda gas tertentu mencerminkan tren perkembangan penyakit kronis. Secara tradisional, interpretasi data ini memerlukan partisipasi staf medis. Namun, dengan pemberdayaan teknologi kecerdasan buatan, sensor gas cerdas tidak hanya dapat mendeteksi gas dan menggambar kurva, tetapi juga menentukan tingkat perkembangan penyakit, sehingga sangat mengurangi beban pada staf medis.
Di bidang perangkat kesehatan yang dapat dikenakan (wearable device), penerapan sensor gas masih dalam tahap awal, tetapi prospeknya luas. Para peneliti dari Zhuhai Gree Electric Appliances menunjukkan bahwa meskipun peralatan rumah tangga berbeda dari perangkat medis dengan fungsi diagnosis penyakit, dalam bidang pemantauan kesehatan rumah sehari-hari, rangkaian sensor gas memiliki keunggulan seperti biaya rendah, non-invasif, dan miniaturisasi, sehingga diharapkan semakin banyak digunakan pada peralatan rumah tangga seperti peralatan perawatan mulut dan toilet pintar sebagai solusi pemantauan tambahan dan pemantauan waktu nyata. Dengan meningkatnya permintaan akan kesehatan rumah, pemantauan status kesehatan manusia melalui peralatan rumah tangga akan menjadi arah penting bagi pengembangan rumah pintar.
Pemantauan lingkungan dan pencegahan serta pengendalian pencemaran
Pemantauan lingkungan merupakan salah satu bidang di mana sensor gas paling banyak diterapkan. Seiring meningkatnya perhatian global terhadap perlindungan lingkungan, permintaan untuk memantau berbagai polutan di atmosfer juga meningkat dari hari ke hari. Sensor gas dapat mendeteksi gas berbahaya seperti karbon monoksida, sulfur dioksida, dan ozon, sehingga menjadi alat yang efektif untuk memantau kualitas udara lingkungan.
Sensor gas elektrokimia UGT-E4 dari British Gas Shield Company merupakan produk representatif di bidang pemantauan lingkungan. Sensor ini dapat mengukur kandungan polutan di atmosfer secara akurat dan menyediakan dukungan data yang tepat waktu dan akurat bagi departemen perlindungan lingkungan. Melalui integrasi dengan teknologi informasi modern, sensor ini telah mencapai fungsi-fungsi seperti pemantauan jarak jauh, pengunggahan data, dan alarm cerdas, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi dan kenyamanan deteksi gas. Pengguna dapat memantau perubahan konsentrasi gas kapan pun dan di mana pun hanya melalui ponsel atau komputer, memberikan dasar ilmiah bagi pengelolaan lingkungan dan pembuatan kebijakan.
Dalam hal pemantauan kualitas udara dalam ruangan, sensor gas juga memainkan peran penting. Standar EN 45544 yang dikeluarkan oleh Komite Standardisasi Eropa (EN) khusus untuk pengujian kualitas udara dalam ruangan dan mencakup persyaratan pengujian untuk berbagai gas berbahaya 610. Sensor karbon dioksida, sensor formaldehida, dll. yang umum di pasaran banyak digunakan di hunian sipil, gedung komersial, dan tempat hiburan umum, membantu masyarakat menciptakan lingkungan dalam ruangan yang lebih sehat dan nyaman. Terutama selama pandemi COVID-19, ventilasi dalam ruangan dan kualitas udara telah menerima perhatian yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang semakin mendorong pengembangan dan penerapan teknologi sensor terkait.
Pemantauan emisi karbon merupakan arah penerapan sensor gas yang sedang berkembang. Dengan latar belakang netralitas karbon global, pemantauan gas rumah kaca yang presisi seperti karbon dioksida menjadi sangat penting. Sensor karbon dioksida inframerah memiliki keunggulan unik di bidang ini karena presisinya yang tinggi, selektivitas yang baik, dan masa pakai yang panjang. "Pedoman untuk Pembangunan Platform Pengendalian Risiko Keselamatan Cerdas di Kawasan Industri Kimia" di Tiongkok telah mencantumkan pemantauan gas mudah terbakar/beracun dan analisis penelusuran sumber kebocoran sebagai isi konstruksi wajib, yang mencerminkan penekanan tingkat kebijakan pada peran pemantauan gas dalam bidang perlindungan lingkungan.
Rumah Pintar dan Keamanan Pangan
Rumah pintar merupakan pasar aplikasi konsumen yang paling menjanjikan untuk sensor gas. Saat ini, sensor gas terutama digunakan pada peralatan rumah tangga seperti pembersih udara dan penyejuk udara. Namun, dengan diperkenalkannya rangkaian sensor dan algoritma cerdas, potensi penerapannya dalam skenario seperti pengawetan, memasak, dan pemantauan kesehatan secara bertahap mulai dimanfaatkan.
Dalam hal pengawetan makanan, sensor gas dapat memantau bau tak sedap yang dikeluarkan makanan selama penyimpanan untuk menentukan kesegaran makanan. Hasil penelitian terbaru menunjukkan bahwa, baik menggunakan satu sensor untuk memantau konsentrasi bau maupun menggunakan rangkaian sensor gas yang dikombinasikan dengan metode pengenalan pola untuk menentukan kesegaran makanan, telah memberikan hasil yang baik. Namun, karena kompleksitas skenario penggunaan lemari es yang sebenarnya (seperti gangguan dari pengguna saat membuka dan menutup pintu, menyalakan dan mematikan kompresor, sirkulasi udara internal, dll.), serta pengaruh timbal balik dari berbagai gas volatil dari bahan makanan, masih terdapat ruang untuk peningkatan akurasi penentuan kesegaran makanan.
Aplikasi memasak merupakan skenario penting lainnya untuk sensor gas. Terdapat ratusan senyawa gas yang dihasilkan selama proses memasak, termasuk partikulat, alkana, senyawa aromatik, aldehida, keton, alkohol, alkena, dan senyawa organik volatil lainnya. Dalam lingkungan yang kompleks seperti itu, rangkaian sensor gas menunjukkan keunggulan yang lebih nyata dibandingkan sensor tunggal. Studi menunjukkan bahwa rangkaian sensor gas dapat digunakan untuk menentukan status memasak makanan berdasarkan selera pribadi, atau sebagai alat bantu pemantauan pola makan untuk melaporkan kebiasaan memasak secara berkala kepada pengguna. Namun, faktor lingkungan memasak seperti suhu tinggi, asap masakan, dan uap air dapat dengan mudah menyebabkan sensor "keracunan", yang merupakan masalah teknis yang perlu dipecahkan.
Di bidang keamanan pangan, penelitian tim Wang Di telah menunjukkan potensi nilai aplikasi sensor gas. Mereka bertujuan untuk "mengidentifikasi puluhan gas secara bersamaan dengan colokan kecil di ponsel", dan berkomitmen untuk menyediakan informasi keamanan pangan secara mudah. Perangkat olfaktori array yang sangat terintegrasi ini dapat mendeteksi komponen volatil dalam makanan, menentukan kesegaran dan keamanan makanan, serta memberikan referensi secara langsung (real-time) bagi konsumen.
Tabel: Objek Deteksi Utama dan Karakteristik Teknis Sensor Gas di Berbagai Bidang Aplikasi
Bidang aplikasi, objek deteksi utama, jenis sensor yang umum digunakan, tantangan teknis, tren pengembangan
Gas mudah terbakar untuk keselamatan industri, jenis pembakaran katalitik gas beracun, jenis elektrokimia, toleransi lingkungan yang keras, pemantauan sinkron multi-gas, pelacakan sumber kebocoran
Aseton medis dan kesehatan, CO₂, VOC jenis semikonduktor, selektivitas dan sensitivitas jenis kolorimetri, diagnosis yang dapat dikenakan dan cerdas
Penerapan jaringan stabilitas jangka panjang dan transmisi data waktu nyata untuk pemantauan lingkungan terhadap polutan udara dan gas rumah kaca dalam bentuk inframerah dan elektrokimia
Gas volatil makanan rumah pintar, jenis semikonduktor asap memasak, kemampuan anti-interferensi PID
Silakan menghubungi Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Situs web perusahaan:www.hondetechco.com
Telp: +86-15210548582
Waktu posting: 11-Jun-2025