利用微型傳感器改善室內(nèi)空氣質(zhì)量

二氧化碳濃度是衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。良好的空氣可以讓人們不易困倦，生產(chǎn)率更高，而室內(nèi)二氧化碳濃度過高則意味著空氣質(zhì)量差，其原因往往是空調(diào)和循環(huán)通風(fēng)不足。這會(huì)導(dǎo)致健康問題，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(nèi)有害物質(zhì)，如纖塵、霉菌、花粉、細(xì)菌甚或石棉等。

二氧化碳濃度限值可預(yù)防疾病

多年來，受人類活動(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；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。通過良好的新鮮空氣循環(huán)通風(fēng)，可以實(shí)現(xiàn)不超過1000 ppm（0.1%）的室內(nèi)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)的角度來講，以這個(gè)值為上限，二氧化碳濃度值對(duì)于健康至關(guān)重要，因?yàn)楦哂谶@個(gè)限值的二氧化碳濃度將會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不利的長期影響。

高二氧化碳濃度對(duì)健康的影響

圖內(nèi)文字：

二氧化碳濃度對(duì)健康的影響

空氣質(zhì)量類似于戶外

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(dǎo)致頭痛、嗜睡和憋悶

可能發(fā)生毒性反應(yīng)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(nèi)，空氣質(zhì)量差的影響也是顯而易見的，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)覺得憋悶，并且出現(xiàn)頭痛、困倦、注意力不集中和心率加快等現(xiàn)象。因此，衛(wèi)生組織建議盡可能使室內(nèi)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(nèi)輸送戶外的新鮮空氣，以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，譬如，使用暖通空調(diào)系統(tǒng)（供暖、通風(fēng)、空調(diào)）。

許多應(yīng)用都離不開二氧化碳傳感器

應(yīng)用數(shù)量如此之龐大，無怪乎分析師認(rèn)為，二氧化碳傳感器市場(chǎng)的年增長率將達(dá)到兩位數(shù)。二氧化碳傳感器可用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣，確保住宅、學(xué)校、辦公室和商業(yè)建筑等實(shí)現(xiàn)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(qū)以及相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如數(shù)字助理、煙感探測(cè)器、路由器、空氣凈化器或空調(diào)系統(tǒng)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(shí)別來確定房間內(nèi)的人數(shù)和他們的日?；顒?dòng)水平。根據(jù)這些信息，樓宇自控系統(tǒng)可以優(yōu)化決策，改善空調(diào)效果。暖通空調(diào)系統(tǒng)有了二氧化碳傳感器，可以將能耗降低最多50%，這意味著整棟建筑可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%至30%。普通系統(tǒng)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(xù)通風(fēng)。另一方面，基于真實(shí)的二氧化碳濃度測(cè)定值來進(jìn)行控制，則可以按照房間內(nèi)的實(shí)際人數(shù)來調(diào)節(jié)新鮮空氣的供給。這將縮短暖通空調(diào)系統(tǒng)的日常工作循環(huán)，從而節(jié)省大筆開支。

此外還有許多其他應(yīng)用，包括車內(nèi)二氧化碳監(jiān)測(cè)，以調(diào)節(jié)駕駛室或整個(gè)車內(nèi)的空氣質(zhì)量。在農(nóng)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(jié)約成本。傳感器也用于醫(yī)療應(yīng)用，包括capnometry，這是一種實(shí)時(shí)測(cè)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(chǔ)罐或地下氣源等二氧化碳?xì)庠锤浇?，檢測(cè)二氧化碳泄漏。智慧城市可以將二氧化碳排放源與道路車輛密度聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(nèi)使用。這種傳感器由紅外光源、采樣腔、濾光片以及基準(zhǔn)和吸收紅外探測(cè)器等組成，可提供真實(shí)、準(zhǔn)確的二氧化碳測(cè)定值。但是，除單純考慮美觀之外，這種傳感器并不適用于移動(dòng)終端、恒溫器或起居室內(nèi)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)上還沒有哪種與之相當(dāng)?shù)慕鉀Q方案能夠既提供這樣真實(shí)且準(zhǔn)確的二氧化碳測(cè)定值，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)劃算。盡管有所謂的eCO₂傳感器可以檢測(cè)多種不同的室內(nèi)污染物，但其性能不足以取代NDIR傳感器。eCO₂傳感器并不執(zhí)行實(shí)際測(cè)量；它是利用算法來計(jì)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(nèi)的人員造成。因此，它是根據(jù)很多假設(shè)來進(jìn)行估算。所以，利用這個(gè)eCO₂ 值，只能根據(jù)可能不太準(zhǔn)確的信息來調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量。

這將導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗過高或者恰恰在需要的時(shí)候卻不能正常通風(fēng)。這樣一來，空氣質(zhì)量得不到有效改善，用戶對(duì)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(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)，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(cè)混合物中的氣體成分，譬如，測(cè)定室內(nèi)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的光；二氧化碳?xì)怏w分子可吸收的光波長為4.2μm。配備光學(xué)濾光片的紅外光源快速連續(xù)發(fā)射波長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。可以利用麥克風(fēng)錄下由此產(chǎn)生的聲音，然后進(jìn)行評(píng)估，并就氣體的二氧化碳含量得出結(jié)論。二氧化碳濃度越高，信號(hào)越強(qiáng)。相比于NDIR-CO₂ 傳感器，使用高靈敏度MEMS麥克風(fēng)作為檢測(cè)器可以大幅縮小體積。

傳感器研發(fā)挑戰(zhàn)

英飛凌推出的這款二氧化碳傳感器將光聲換能器、檢測(cè)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(hào)處理的小型單片機(jī)、復(fù)雜的算法以及用于操作紅外光源的MOSFET。經(jīng)調(diào)制的紅外光照射到采樣腔內(nèi)的混合氣體上。其中的二氧化碳?xì)怏w吸收了紅外光后變熱，采樣腔內(nèi)的氣壓隨之升高，MEMS麥克風(fēng)可以測(cè)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(zhàn)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(tǒng)噪聲，也就是說，使MEMS檢測(cè)器隔絕于外部噪聲，從而僅檢測(cè)到采樣腔內(nèi)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(yīng)建模，然后再制作部分組件的原型來驗(yàn)證建模結(jié)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)專門設(shè)計(jì)，適用于要求自噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍寬、失真度低、聲學(xué)過載點(diǎn)高的應(yīng)用。歸功于XENSIV? IM69D130，這種氣體傳感器可以測(cè)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(zhǔn)確測(cè)定氣體濃度。所以，還可以將采樣腔設(shè)計(jì)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(cè)量，而且比具備同等性能參數(shù)的常規(guī)二氧化碳傳感器的體積縮小了75%以上。其集成式單片機(jī)可將MEMS麥克風(fēng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為ppm值，并通過串行I2C、UART或PWM等三種接口輸出。直接輸出ppm讀數(shù)、支持表面貼裝技術(shù)和簡單的設(shè)計(jì)，有利于輕松快速地集成到柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中。所有組件均為英飛凌內(nèi)部設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，達(dá)到了英飛凌的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

這款傳感器極為堅(jiān)固耐用，測(cè)量范圍為0 ppm至10,000 ppm，在5000 ppm（± 3 %）以下范圍內(nèi)，測(cè)量精度高達(dá)± 30 ppm。工作溫度范圍為0°C到50°C，相對(duì)濕度0 %到85 %（非冷凝）。年漂移率小于1%（執(zhí)行主動(dòng)自校準(zhǔn)）。在脈沖模式下，這種二氧化碳傳感器的設(shè)計(jì)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(tǒng)中以需求為導(dǎo)向的通風(fēng)控制，以及用于智慧居家應(yīng)用中的室內(nèi)空氣質(zhì)量控制等的理想之選。

XENSIV? PAS CO₂傳感器的典型應(yīng)用

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）