利用微型傳感器改善室內空氣質(zhì)量

二氧化碳濃度是衡量室內空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標。良好的空氣可以讓人們不易困倦，生產(chǎn)率更高，而室內二氧化碳濃度過(guò)高則意味著(zhù)空氣質(zhì)量差，其原因往往是空調和循環(huán)通風(fēng)不足。這會(huì )導致健康問(wèn)題，包括有大量文件證明的病態(tài)建筑綜合癥（SBS），其幫兇還包括其他室內有害物質(zhì)，如纖塵、霉菌、花粉、細菌甚或石棉等。

二氧化碳濃度限值可預防疾病

多年來(lái)，受人類(lèi)活動(dòng)的影響，溫室氣體濃度已慢慢升高，環(huán)境中的二氧化碳濃度值也隨之增長(cháng)；如今，大氣二氧化碳濃度值已突破代表健康新鮮空氣的400 ppm（0.04 %）限值。通過(guò)良好的新鮮空氣循環(huán)通風(fēng)，可以實(shí)現不超過(guò)1000 ppm（0.1%）的室內二氧化碳濃度值，這個(gè)限值仍然被視為可接受的。從科學(xué)的角度來(lái)講，以這個(gè)值為上限，二氧化碳濃度值對于健康至關(guān)重要，因為高于這個(gè)限值的二氧化碳濃度將會(huì )對健康產(chǎn)生不利的長(cháng)期影響。

高二氧化碳濃度對健康的影響

圖內文字：

二氧化碳濃度對健康的影響

空氣質(zhì)量類(lèi)似于戶(hù)外

良好通風(fēng)

空氣質(zhì)量差引起輕微不適，包括頭痛和困倦

高二氧化碳濃度導致頭痛、嗜睡和憋悶

可能發(fā)生毒性反應或缺氧。日常工作場(chǎng)所暴露限值。

缺氧直接造成傷害

哪怕在1000 ppm（0.1 %）至2000 ppm（0.2 %）濃度范圍內，空氣質(zhì)量差的影響也是顯而易見(jiàn)的，人們會(huì )感到十分疲憊。濃度超出這個(gè)水平之后，人們會(huì )覺(jué)得憋悶，并且出現頭痛、困倦、注意力不集中和心率加快等現象。因此，衛生組織建議盡可能使室內二氧化碳濃度值保持在1000 ppm（0.1%）以下。環(huán)保署還明確建議向室內輸送戶(hù)外的新鮮空氣，以改善室內空氣質(zhì)量，譬如，使用暖通空調系統（供暖、通風(fēng)、空調）。

許多應用都離不開(kāi)二氧化碳傳感器

應用數量如此之龐大，無(wú)怪乎分析師認為，二氧化碳傳感器市場(chǎng)的年增長(cháng)率將達到兩位數。二氧化碳傳感器可用于監測室內空氣，確保住宅、學(xué)校、辦公室和商業(yè)建筑等實(shí)現更好的通風(fēng)，從而有助于人們集中注意力，提高生產(chǎn)率。小型傳感器還適用于生活區以及相應的物聯(lián)網(wǎng)設備，如數字助理、煙感探測器、路由器、空氣凈化器或空調系統等，甚至還可以安裝到筆記本電腦或顯示器中。

可以利用模式識別來(lái)確定房間內的人數和他們的日?；顒?dòng)水平。根據這些信息，樓宇自控系統可以?xún)?yōu)化決策，改善空調效果。暖通空調系統有了二氧化碳傳感器，可以將能耗降低最多50%，這意味著(zhù)整棟建筑可以實(shí)現節能20%至30%。普通系統采用定時(shí)模式保持恒定的空氣流通，譬如，在工作時(shí)段提供持續通風(fēng)。另一方面，基于真實(shí)的二氧化碳濃度測定值來(lái)進(jìn)行控制，則可以按照房間內的實(shí)際人數來(lái)調節新鮮空氣的供給。這將縮短暖通空調系統的日常工作循環(huán)，從而節省大筆開(kāi)支。

此外還有許多其他應用，包括車(chē)內二氧化碳監測，以調節駕駛室或整個(gè)車(chē)內的空氣質(zhì)量。在農業(yè)領(lǐng)域，二氧化碳傳感器可用于控制溫室中的二氧化碳濃度，以提高產(chǎn)量和節約成本。傳感器也用于醫療應用，包括capnometry，這是一種實(shí)時(shí)測定患者呼出氣二氧化碳含量的方法，在麻醉領(lǐng)域特別有用。

工業(yè)領(lǐng)域的用例包括在諸如干冰庫、儲罐或地下氣源等二氧化碳氣源附近，檢測二氧化碳泄漏。智慧城市可以將二氧化碳排放源與道路車(chē)輛密度聯(lián)系起來(lái)，從而實(shí)現交通管理。

 如今的二氧化碳傳感器

如今，非色散紅外（NDIR）傳感器的應用十分普遍，特別是在樓宇自控領(lǐng)域。然而，這種傳感器體積較大、價(jià)格昂貴，因而僅可在有限的范圍內使用。這種傳感器由紅外光源、采樣腔、濾光片以及基準和吸收紅外探測器等組成，可提供真實(shí)、準確的二氧化碳測定值。但是，除單純考慮美觀(guān)之外，這種傳感器并不適用于移動(dòng)終端、恒溫器或起居室內的其他智慧居家裝置，主要原因是其成本高昂并且外形較大難以集成。

目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有哪種與之相當的解決方案能夠既提供這樣真實(shí)且準確的二氧化碳測定值，同時(shí)又經(jīng)濟劃算。盡管有所謂的eCO₂傳感器可以檢測多種不同的室內污染物，但其性能不足以取代NDIR傳感器。eCO₂傳感器并不執行實(shí)際測量；它是利用算法來(lái)計算出等效二氧化碳濃度值。這種方法假定二氧化碳濃度主要由房間內的人員造成。因此，它是根據很多假設來(lái)進(jìn)行估算。所以，利用這個(gè)eCO₂ 值，只能根據可能不太準確的信息來(lái)調節室內空氣質(zhì)量。

這將導致空調系統能耗過(guò)高或者恰恰在需要的時(shí)候卻不能正常通風(fēng)。這樣一來(lái)，空氣質(zhì)量得不到有效改善，用戶(hù)對使用這種eCO2傳感器的產(chǎn)品失去信心。

基于MEMS的光聲光譜

得益于其在MEMS麥克風(fēng)方面的豐富經(jīng)驗，通過(guò)實(shí)驗，英飛凌成功地研發(fā)出一種基于光聲光譜（PAS）的全新二氧化碳傳感器。光聲光譜（PAS）是一種物理方法，適用于檢測混合物中的氣體成分，譬如，測定室內空氣中的二氧化碳濃度。

基于光聲光譜（PAS）的二氧化碳傳感器示意圖

光聲光譜技術(shù)的作用原理是氣體分子僅吸收特定波長(cháng)的光；二氧化碳氣體分子可吸收的光波長(cháng)為4.2μm。配備光學(xué)濾光片的紅外光源快速連續發(fā)射波長(cháng)4.2μm的光脈沖，向氣體輸送能量。這使得氣體樣本迅速加熱和冷卻，進(jìn)而產(chǎn)生熱脹冷縮?？梢岳名溈孙L(fēng)錄下由此產(chǎn)生的聲音，然后進(jìn)行評估，并就氣體的二氧化碳含量得出結論。二氧化碳濃度越高，信號越強。相比于NDIR-CO₂ 傳感器，使用高靈敏度MEMS麥克風(fēng)作為檢測器可以大幅縮小體積。

傳感器研發(fā)挑戰

英飛凌推出的這款二氧化碳傳感器將光聲換能器、檢測器、紅外光源和光學(xué)濾光片等集成到一塊印刷電路板上。這種傳感器配備了用于板載信號處理的小型單片機、復雜的算法以及用于操作紅外光源的MOSFET。經(jīng)調制的紅外光照射到采樣腔內的混合氣體上。其中的二氧化碳氣體吸收了紅外光后變熱，采樣腔內的氣壓隨之升高，MEMS麥克風(fēng)可以測量這樣的出氣壓變化。

研發(fā)光聲光譜二氧化碳傳感器遇到的主要挑戰之一，是讓麥克風(fēng)的性能發(fā)揮到極致，并最大限度地降低系統噪聲，也就是說(shuō)，使MEMS檢測器隔絕于外部噪聲，從而僅檢測到采樣腔內二氧化碳分子產(chǎn)生的氣壓變化。英飛凌先進(jìn)行了MEMS麥克風(fēng)響應建模，然后再制作部分組件的原型來(lái)驗證建模結果。

英飛凌推出的緊湊式XENSIV?光聲光譜二氧化碳傳感器

特性和優(yōu)點(diǎn)

英飛凌推出的全新XENSIV?光聲光譜二氧化碳傳感器搭載了信噪比為69 dB的IM69D130 XENSIV? MEMS麥克風(fēng)。它經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，適用于要求自噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍寬、失真度低、聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)高的應用。歸功于XENSIV? IM69D130，這種氣體傳感器可以測量出最輕微的氣壓波動(dòng)，因此哪怕很少量的氣體亦足以準確測定氣體濃度。所以，還可以將采樣腔設計得很小巧。這款全新傳感器不僅可以進(jìn)行真正的二氧化碳測量，而且比具備同等性能參數的常規二氧化碳傳感器的體積縮小了75%以上。其集成式單片機可將MEMS麥克風(fēng)輸出信號轉換為ppm值，并通過(guò)串行I2C、UART或PWM等三種接口輸出。直接輸出ppm讀數、支持表面貼裝技術(shù)和簡(jiǎn)單的設計，有利于輕松快速地集成到柔性生產(chǎn)系統中。所有組件均為英飛凌內部設計和生產(chǎn)，達到了英飛凌的高質(zhì)量標準。

這款傳感器極為堅固耐用，測量范圍為0 ppm至10,000 ppm，在5000 ppm（± 3 %）以下范圍內，測量精度高達± 30 ppm。工作溫度范圍為0°C到50°C，相對濕度0 %到85 %（非冷凝）。年漂移率小于1%（執行主動(dòng)自校準）。在脈沖模式下，這種二氧化碳傳感器的設計使用壽命為10年。得益于此，XENSIV?光聲光譜二氧化碳傳感器是用于樓宇自控系統中以需求為導向的通風(fēng)控制，以及用于智慧居家應用中的室內空氣質(zhì)量控制等的理想之選。

XENSIV? PAS CO₂傳感器的典型應用

英飛凌正計劃推出多種傳感器型號，以滿(mǎn)足各類(lèi)應用的特定要求，譬如，電池供電設備要求低功耗型號，便攜式設備要求更小巧、更廉價(jià)的型號，以及條件極為惡劣的工業(yè)設備則要求更可靠的型號。適用于其他氣體的傳感器型號也列入了英飛凌的研發(fā)計劃。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）