英飛凌的新型XENSIV?PAS CO2傳感器可室內(nèi)監(jiān)測和控制空氣質(zhì)量

室內(nèi)氣候在健康保護(hù)中起著關(guān)鍵作用，因為病原體在住宅和辦公樓中以典型的空氣交換率在房間中停留數(shù)小時。建議增加新鮮空氣供應(yīng)。為了監(jiān)測和控制空氣質(zhì)量，創(chuàng)新的CO2傳感器（例如英飛凌的新型XENSIV?PAS CO2）可提供精確，經(jīng)濟(jì)高效且節(jié)省空間的解決方案。

當(dāng)前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，例如美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，人們將近90％的時間花在室內(nèi)，而室內(nèi)某些污染物的濃度通常比典型的室外濃度高2到5倍。1CO2濃度是空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。在這一點上，值得注意的是，大約140年前，Max von Pettenkofer用他對CO2水平的研究奠定了有關(guān)空氣質(zhì)量的現(xiàn)行法規(guī)的基礎(chǔ)。建筑物中的CO2值越高，室內(nèi)人員的舒適度就越差。在通風(fēng)不良的房間中，CO2濃度會迅速增加。例如，在約4 m2的空間中僅由一個人占用，CO2值在短短45分鐘內(nèi)從500 ppm（0.05％）升至1,000 ppm（0.1％）以上。在此水平上，無味無色的氣體會引起頭痛，嗜睡和濃度不佳，通常會導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。從2,000 ppm起（0.2％）起，甚至人類的認(rèn)知能力也會受到影響，并且在較高水平下存在嚴(yán)重的健康風(fēng)險（圖1）。

圖1：CO2很重要，因為超過2,000 ppm的水平會顯著影響認(rèn)知功能。

但是，室內(nèi)CO2濃度還存在其他健康風(fēng)險。如果空氣中有大量呼出的CO2，也將有大量的氣溶膠。高濃度的氣溶膠會增加房間中其他所有人的感染風(fēng)險。特別是在Covid-19時代，這對于辦公室，學(xué)校，商店等至關(guān)重要。當(dāng)感染冠狀病毒的人咳嗽，說話或打噴嚏時，會產(chǎn)生由小滴和氣溶膠組成的噴霧，該噴霧會滲透到室內(nèi)的空氣中然后擴(kuò)散。在論文“ SARS-CoV-2的氣溶膠傳播”中，2幾位研究人員表明，室內(nèi)通風(fēng)不良或通風(fēng)不良的情況可能會增加Covid-19煙霧傳播的可能性。通風(fēng)不足會導(dǎo)致病毒在空中的長距離傳播和機(jī)會性感染。柏林工業(yè)大學(xué)3所做的一項研究表明，室內(nèi)氣候在健康保護(hù)中起著關(guān)鍵作用，因為病原體會以住宅和辦公大樓中典型的空氣交換率在房間中停留數(shù)小時（圖2）。下沉率和換氣過程需要花費大量時間。因此，建議增加新鮮空氣的供應(yīng)。為了監(jiān)測和控制空氣質(zhì)量，采用了創(chuàng)新的CO2傳感器，例如新型XENSIV?PAS CO2英飛凌的圖3提供了精確，經(jīng)濟(jì)高效且節(jié)省空間的解決方案。這些可以優(yōu)化房間的空氣質(zhì)量，使室內(nèi)生活和工作條件更加健康和高效。

圖2：在兩節(jié)課之間的休息時間里，教室中CO2（左軸）和氣溶膠（右軸）的濃度增加

圖3：XENSIV?PAS CO2傳感器的尺寸僅為13.8×14×7.5 mm。

冠狀病毒大流行期間的親自教室和辦公室工作引起了對氣溶膠和感染風(fēng)險的擔(dān)憂。無論您在一個房間中有多少人，哪里都有大量含有CO2的呼氣。德國聯(lián)邦環(huán)境局和美國暖氣，制冷與空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）在冠狀病毒爆發(fā)之前很久就發(fā)布了建議：在教室和辦公室中，CO2濃度不應(yīng)超過1,000 ppm。相比之下，在室外新鮮空氣中，CO2濃度為400ppm。在這種情況下，安裝CO2的想法教室和辦公室以及其他室內(nèi)公共場所（例如健身房，酒吧和飯店）中的測量設(shè)備，旨在防止病毒傳播。當(dāng)然，可以測量空氣中的氣溶膠，如果氣溶膠過高，則會發(fā)出警報。但是，這種測量裝置復(fù)雜且昂貴。另一方面，現(xiàn)在可獲得廉價且緊湊的CO2測量裝置，其可以警告空氣中的高濃度CO2并因此警告高水平的氣溶膠。這些可用于表明冠狀病毒感染的潛在風(fēng)險增加。

可靠的CO2監(jiān)測不僅對于Covid-19非常重要，而且在室內(nèi)度過時也有利于整體健康和生產(chǎn)力。CO2傳感器可用于測量二氧化碳濃度，從而測量室內(nèi)空氣的質(zhì)量（圖4）。但是，為了改善周圍的空氣質(zhì)量，從而提高人們的室內(nèi)舒適度和生產(chǎn)率，需要更加可靠且價格合理的CO2傳感器。當(dāng)前，有兩種選擇：準(zhǔn)確但體積大且昂貴的傳感器和較小但不準(zhǔn)確的傳感器，它們提供的總估計值不適合適當(dāng)控制。XENSIV?PAS CO2相反，傳感器是各種應(yīng)用的理想選擇，以緊湊的格式提供精確的結(jié)果。

圖4：英飛凌其中一間會議室中CO2含量的增長

通過空氣控制節(jié)省能源和成本

通風(fēng)系統(tǒng)不僅有益于人類福祉。在住宅和商業(yè)建筑中進(jìn)行有效的空氣控制可以節(jié)省能源，同時減少相應(yīng)的成本和CO2排放。

在美國，家庭平均每年在能源上花費約2,000美元。通過適當(dāng)?shù)纳?，他們每年可以?jié)省約400美元。其他部門也可以從基于可靠CO2的空氣質(zhì)量控制中受益測量。學(xué)校，醫(yī)院，飯店和商店也有很高的能源需求和相關(guān)的高費用?？傮w而言，像美國這樣的國家每年在為所有建筑物提供能源方面的支出超過4000億美元。他們使用美國發(fā)電量的約74％，約占美國能源總支出的40％（圖5）。借助有效的樓宇自動化技術(shù)（也稱為需求控制通風(fēng)（DCV））來控制通風(fēng)，美國的建筑能耗可減少多達(dá)20％，每年可節(jié)省約800億美元的能源成本。4

如果從一開始就對建筑物進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，建造和運營（例如使用DCV），則建筑物的能源效率最多可提高供暖，通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）能源費用的30％。5反過來，這將有可能減少總體能源需求，一方面解決全球性的能源短缺問題，另一方面減少對環(huán)境的威脅。一個典型的例子：美國一所平均面積約為7,000平方米的學(xué)校，每年的HVAC能耗約為5.6美元/平方米。6,7假設(shè)基于DCV的能效為20％，則每年可節(jié)省8,000美元。這意味著節(jié)省了80,000 kWh（假設(shè)為10美分/ kWh），相當(dāng)于節(jié)省了35噸CO2減排。這相當(dāng)于擁有1600棵樹木的森林每年的CO2消耗量。

圖5：在美國和歐洲，建筑能耗占總能耗的40％。

CO2傳感器的可能應(yīng)用

由CO2傳感器測量的數(shù)據(jù)可以以多種方式使用。在DCV中，HVAC系統(tǒng)使用這些值根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用需求自動將房間中的空氣混合物調(diào)整為外部空氣的混合物。這樣可以將室內(nèi)的CO2濃度保持在特定值，例如，根據(jù)ASHRAE關(guān)于通風(fēng)和住宅建筑物中可接受的室內(nèi)空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)低于1000 ppm。鑒于CO2傳感在健康和減輕感染風(fēng)險方面的好處，人們可以期望在教室，辦公室，體育館和酒吧中廣泛使用CO2傳感器，這些傳感器將檢測到不良的空氣質(zhì)量。一個例子是所謂的CO2紅綠燈;該設(shè)備會向乘員發(fā)出高CO2濃度警告，并因此警告高濃度的氣溶膠，這是向房間通風(fēng)的明確信號?？梢栽谶B接到云解決方案的傳感器網(wǎng)絡(luò)中組織這些傳感器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能和遠(yuǎn)程訪問。

CO2傳感器還有許多其他潛在用途。小型CO2傳感器適用于諸如智能家居助理和空氣凈化器和恒溫器之類的IoT設(shè)備的應(yīng)用。將來可能還會有其他應(yīng)用，例如嬰兒監(jiān)測，食品質(zhì)量控制，健身跟蹤和農(nóng)業(yè)。

現(xiàn)有解決方案的局限性

如今，非分散紅外（NDIR）傳感器通常用于樓宇自動化。它們由一個紅外光源，一個樣品室，一個光譜濾光片以及參考和吸收紅外檢測器組成，這就是它們相對較大且昂貴的原因。盡管它們提供了真實，準(zhǔn)確的CO2測量值，但其外形尺寸卻使其難以集成，從而使其不適合安裝在小型IoT設(shè)備或智能家居組件中。

各種室內(nèi)污染物也可以通過所謂的eCO2傳感器進(jìn)行檢測，但是與NDIR傳感器不同，它們無法進(jìn)行實際測量。相反，他們使用算法來計算等效的CO2值。這些傳感器基于許多假設(shè)（例如，導(dǎo)致CO2負(fù)荷增加的人數(shù)）來提供估計值。使用這種方法，空氣質(zhì)量不會總是在正確的時刻得到改善，這意味著氣候控制系統(tǒng)會消耗不必要的大量能量。當(dāng)前市場上沒有可比的解決方案，既可提供準(zhǔn)確，真實的CO2測量，又小巧且具有成本效益。

具有光聲光譜的CO2傳感器

憑借其在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)方面的經(jīng)驗和領(lǐng)先地位，英飛凌成功開發(fā)了基于光聲光譜（PAS）的新型CO2傳感器（圖6）。PAS方法基于亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）在1880年發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng)。英飛凌擁有從傳感器設(shè)計到系統(tǒng)實施的PAS技術(shù)的全面且不斷增長的專利組合。該方法利用了以下事實：氣體分子僅吸收特定波長的光。在CO2的情況下，波長是4.2μm。通過帶有濾光片的紅外源，以正好此波長的光快速地（即能量）提供給氣體。由于快速加熱和冷卻，這又導(dǎo)致熱膨脹和收縮，從而產(chǎn)生壓力變化，該變化可以由針對低頻進(jìn)行了優(yōu)化的聲學(xué)檢測器記錄下來。然后評估信號并用于得出有關(guān)CO2量的結(jié)論。信號越強(qiáng)，CO2濃度越高。用作壓力傳感器的高度靈敏的MEMS聲學(xué)設(shè)備用作檢測器，可實現(xiàn)顯著的小型化。

Infineon CO2傳感器將光聲換能器與檢測器，紅外源和濾光器集成在一塊小型PCB上。該傳感器使用微控制器進(jìn)行車載信號處理，復(fù)雜的算法以及用于操作紅外源的MOSFET。開發(fā)基于PAS的CO2傳感器的主要挑戰(zhàn)是將檢測器的性能推到極限并最小化系統(tǒng)噪聲，即，將MEMS檢測器與外部噪聲隔離，從而僅使壓力變化源自CO2分子在腔室中被檢測到。吸收室與外界噪聲在聲學(xué)上隔離開來，以提供準(zhǔn)確的CO2感測信息。否則，CO2的功能檢測將被嚴(yán)重破壞。在開發(fā)解決方案時，英飛凌可以從其在聲學(xué)和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的多年經(jīng)驗中受益。MEMS麥克風(fēng)響應(yīng)的建模，擴(kuò)散端口的專利隔音技術(shù)以及用于驗證建模結(jié)果的快速原型設(shè)計，可以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)設(shè)計。

圖6：光聲光譜（PAS）原理（來源：美國能源部，美國[2015]。第5章：提高建筑系統(tǒng)和技術(shù)的效率?！端哪昶诩夹g(shù)評論：能源技術(shù)和研究機(jī)會的評估》，第143-181頁。）

CO2傳感器的優(yōu)點

英飛凌已利用其在傳感器和MEMS麥克風(fēng)中的最先進(jìn)功能來開發(fā)針對CO2的破壞性環(huán)境傳感技術(shù)。XENSIV?PAS CO2（表1）是基于PAS原理的真實CO2傳感器。該傳感器使用英飛凌高度敏感的XENSIV?MEMS麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)可檢測傳感器腔內(nèi)CO2分子產(chǎn)生的壓力變化，而不會吸收外部噪聲。作為輸出，它提供CO2濃度（百萬分之一）。數(shù)據(jù)顯示高質(zhì)量的結(jié)果，即使壓力波動最小。因此，少量的氣體足以進(jìn)行精確的確定，這就是為什么可以將樣品室的尺寸設(shè)計得適當(dāng)小。

XENSIV?PAS CO2的外形尺寸非常小，比典型的NDIR傳感器小4倍（14×13.8×7.5毫米），重量減輕了3倍（2克），可在客戶系統(tǒng)中節(jié)省超過75％的空間。此外，大多數(shù)商用NDIR傳感器附帶的連接器與大批量裝配標(biāo)準(zhǔn)不兼容，導(dǎo)致制造過程耗時。另一方面，XENSIV?PAS CO2的設(shè)計和提供（卷帶包裝）考慮了大批量的自動制造，具有表面貼裝技術(shù)（SMT）的功能，可輕松組裝并快速集成到客戶的系統(tǒng)中。

簡而言之，該傳感器以超緊湊的設(shè)計提供了高精度，這使其成為HVAC控制（DCV）應(yīng)用的正確選擇，從而實現(xiàn)了節(jié)能并符合主要的智能建筑標(biāo)準(zhǔn)（例如LEED，WELL）。

可用性和展望

所有傳感器組件均根據(jù)高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)部開發(fā)和設(shè)計。英飛凌將繼續(xù)開發(fā)PAS技術(shù)，以進(jìn)一步減小尺寸和優(yōu)化成本，并使其性能適應(yīng)工業(yè)和消費市場中的其他CO2傳感應(yīng)用。PAS技術(shù)平臺可能會解決其他氣體。此外，英飛凌/賽普拉斯的生態(tài)系統(tǒng)將被利用來向市場提供完整的系統(tǒng)產(chǎn)品，包括傳感，處理，驅(qū)動和連接。

新型PAS CO2傳感器的原型已經(jīng)在關(guān)鍵客戶應(yīng)用中進(jìn)行了測試和驗證。PAS CO2評估套件目前可提供樣品。一套完整的產(chǎn)品評估板（PAS CO2評估板，基于Arduino的Shield2Go板和基于Infineon / Cypress生態(tài)系統(tǒng)的基于Adafruit羽毛的PAS CO2翼板），軟件庫和綜合文檔，包括應(yīng)用筆記，還將很快面世，以支持客戶并縮短PAS CO2傳感器的設(shè)計上市時間。最終，該傳感器將大大改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，從而改善我們的健康狀況。

參考資料

1美國環(huán)境保護(hù)署。1989年。向國會提交的關(guān)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的報告：第2卷。EPA/ 400/189 / 001C。華盛頓特區(qū)

2Li，Y。，等。SARS-CoV-2的氣溶膠傳播。medRxiv。https://bit.ly/34MbyhC

3Hartmann，A；Kriegel，M.基于CO2濃度的載有病毒的氣溶膠的風(fēng)險評估。柏林工業(yè)大學(xué)。https://bit.ly/33SAIMj

4https://bit.ly/3lT93RQ

5美國能源部（2015）。對能源技術(shù)和研究機(jī)會的評估。四年期技術(shù)評論。美國能源部。

6https://bit.ly/2SSu6HM

7典型的能源成本為1.30美元/平方英尺（2007年）。
編輯：hfy