室內(nèi)氣候在健康保護(hù)中起著關(guān)鍵作用，因?yàn)椴≡w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(shí)。建議增加新鮮空氣供應(yīng)。為了監(jiān)測(cè)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(jì)數(shù)據(jù)，例如美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，人們將近90％的時(shí)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(diǎn)上，值得注意的是，大約140年前，Max von Pettenkofer用他對(duì)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(huì)迅速增加。例如，在約4 m2的空間中僅由一個(gè)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(huì)引起頭痛，嗜睡和濃度不佳，通常會(huì)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(huì)受到影響，并且在較高水平下存在嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)（圖1）。

圖1：CO2很重要，因?yàn)槌^2,000 ppm的水平會(huì)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(xiǎn)。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(huì)增加房間中其他所有人的感染風(fēng)險(xiǎn)。特別是在Covid-19時(shí)代，這對(duì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生由小滴和氣溶膠組成的噴霧，該噴霧會(huì)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(huì)增加Covid-19煙霧傳播的可能性。通風(fēng)不足會(huì)導(dǎo)致病毒在空中的長(zhǎng)距離傳播和機(jī)會(huì)性感染。柏林工業(yè)大學(xué)3所做的一項(xiàng)研究表明，室內(nèi)氣候在健康保護(hù)中起著關(guān)鍵作用，因?yàn)椴≡w會(huì)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(shí)（圖2）。下沉率和換氣過程需要花費(fèi)大量時(shí)間。因此，建議增加新鮮空氣的供應(yīng)。為了監(jiān)測(cè)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(shí)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(duì)氣溶膠和感染風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂。無論您在一個(gè)房間中有多少人，哪里都有大量含有CO2的呼氣。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境局和美國(guó)暖氣，制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（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(chǎng)所（例如健身房，酒吧和飯店）中的測(cè)量設(shè)備，旨在防止病毒傳播。當(dāng)然，可以測(cè)量空氣中的氣溶膠，如果氣溶膠過高，則會(huì)發(fā)出警報(bào)。但是，這種測(cè)量裝置復(fù)雜且昂貴。另一方面，現(xiàn)在可獲得廉價(jià)且緊湊的CO2測(cè)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(xiǎn)增加。

可靠的CO2監(jiān)測(cè)不僅對(duì)于Covid-19非常重要，而且在室內(nèi)度過時(shí)也有利于整體健康和生產(chǎn)力。CO2傳感器可用于測(cè)量二氧化碳濃度，從而測(cè)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(jià)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(jì)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(huì)議室中CO2含量的增長(zhǎng)

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(shí)減少相應(yīng)的成本和CO2排放。

在美國(guó)，家庭平均每年在能源上花費(fèi)約2,000美元。通過適當(dāng)?shù)纳?jí)，他們每年可以節(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(cè)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(fèi)用?？傮w而言，像美國(guó)這樣的國(guó)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(guó)發(fā)電量的約74％，約占美國(guó)能源總支出的40％（圖5）。借助有效的樓宇自動(dòng)化技術(shù)（也稱為需求控制通風(fēng)（DCV））來控制通風(fēng)，美國(guó)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(duì)建筑物進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，建造和運(yùn)營(yíng)（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(fèi)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(duì)環(huán)境的威脅。一個(gè)典型的例子：美國(guó)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(guó)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(cè)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(dòng)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(xiǎn)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(cè)到不良的空氣質(zhì)量。一個(gè)例子是所謂的CO2紅綠燈;該設(shè)備會(huì)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(hào)?？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(shí)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(huì)有其他應(yīng)用，例如嬰兒監(jiān)測(cè)，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(dòng)化。它們由一個(gè)紅外光源，一個(gè)樣品室，一個(gè)光譜濾光片以及參考和吸收紅外檢測(cè)器組成，這就是它們相對(duì)較大且昂貴的原因。盡管它們提供了真實(shí)，準(zhǔn)確的CO2測(cè)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(cè)，但是與NDIR傳感器不同，它們無法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。相反，他們使用算法來計(jì)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(jì)值。使用這種方法，空氣質(zhì)量不會(huì)總是在正確的時(shí)刻得到改善，這意味著氣候控制系統(tǒng)會(huì)消耗不必要的大量能量。當(dāng)前市場(chǎng)上沒有可比的解決方案，既可提供準(zhǔn)確，真實(shí)的CO2測(cè)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(yàn)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(jì)到系統(tǒng)實(shí)施的PAS技術(shù)的全面且不斷增長(zhǎng)的專利組合。該方法利用了以下事實(shí)：氣體分子僅吸收特定波長(zhǎng)的光。在CO2的情況下，波長(zhǎng)是4.2μm。通過帶有濾光片的紅外源，以正好此波長(zhǎng)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(duì)低頻進(jìn)行了優(yōu)化的聲學(xué)檢測(cè)器記錄下來。然后評(píng)估信號(hào)并用于得出有關(guān)CO2量的結(jié)論。信號(hào)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(cè)器，可實(shí)現(xiàn)顯著的小型化。

Infineon CO2傳感器將光聲換能器與檢測(cè)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(hào)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(cè)器的性能推到極限并最小化系統(tǒng)噪聲，即，將MEMS檢測(cè)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(cè)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(cè)信息。否則，CO2的功能檢測(cè)將被嚴(yán)重破壞。在開發(fā)解決方案時(shí)，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(yàn)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(yàn)證建模結(jié)果的快速原型設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖6：光聲光譜（PAS）原理（來源：美國(guó)能源部，美國(guó)[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(píng)論：能源技術(shù)和研究機(jī)會(huì)的評(píng)估》，第143-181頁(yè)。）

CO2傳感器的優(yōu)點(diǎn)

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(duì)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(shí)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(cè)傳感器腔內(nèi)CO2分子產(chǎn)生的壓力變化，而不會(huì)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(dòng)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(jì)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(shí)。另一方面，XENSIV?PAS CO2的設(shè)計(jì)和提供（卷帶包裝）考慮了大批量的自動(dòng)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(jiǎn)而言之，該傳感器以超緊湊的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)。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(fèi)市場(chǎng)中的其他CO2傳感應(yīng)用。PAS技術(shù)平臺(tái)可能會(huì)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(chǎng)提供完整的系統(tǒng)產(chǎn)品，包括傳感，處理，驅(qū)動(dòng)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(cè)試和驗(yàn)證。PAS CO2評(píng)估套件目前可提供樣品。一套完整的產(chǎn)品評(píng)估板（PAS CO2評(píng)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(kù)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(jì)上市時(shí)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(guó)環(huán)境保護(hù)署。1989年。向國(guó)會(huì)提交的關(guān)于室內(nèi)空氣質(zhì)量的報(bào)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(xiǎn)評(píng)估。柏林工業(yè)大學(xué)。https://bit.ly/33SAIMj

4https://bit.ly/3lT93RQ

5美國(guó)能源部（2015）。對(duì)能源技術(shù)和研究機(jī)會(huì)的評(píng)估。四年期技術(shù)評(píng)論。美國(guó)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）。
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