空气管理如何得到更好的气体检测结果?

Paul Wilson 2018-12-19
标签


在 20 世纪的大部分时间,气体检测与分析是科学仪器设备的专属功能,而这些设备几乎只存在于实验室内。进入 21 世纪后,随着传感器尺寸缩小和价格降低,气体传感器 IC 设计方案得以实现量产。 

如今,气体传感器芯片的最热门应用领域是空气质量监测,不仅支持家居和楼宇自动化 (HABA) 系统、可触发空气过滤器和净化器,还能为智能手机等消费电子设备的家庭环境应用提供数据。 

气体传感器芯片通常使用一种由金属氧化物 (MOX) 材料制成的微机械传感元件。在主动传感模式下,该元件受热可达到 150°C —450°C。在高温条件下接触各种还原或氧化气体时,传感元件的电阻会发生变化。通过测量这个变化,可以计算出环境空气中气体浓度的相对值。 

这些气体传感器在空气质量监测应用领域具有重要价值。例如,艾迈斯半导体(AMS)生产的基于 MOX 的气体传感器 CCS811主要具有两大优势:

1. 通过测量环境空气中气体的相对浓度 (ppb) 计算出总挥发性有机物 等效值(eTVOC)
2. 通过测量环境空气中气体的相对浓度 (ppm) 计算二氧化碳等效值 (eCO2)  
图 1:将传感器板(右)与 USB 转 I2C 桥接板(左)相结合的艾迈斯半导体 CCS811 评估套件

通过软件算法,可根据测量各种还原气体的 eTVOC 来得出空气质量指标。此外,eCO2 测量可提供可靠的间接测定方式,以此确定密闭空间内的人数。因为在没有外界新鲜空气流入的情况下,空气中的 CO2 浓度只与人们呼出的气体相关。 

这些常规的相对气体浓度测量方法已成功用于需求控制型通风 (DCV) 和空气净化系统的自动调节,也更有潜力实现更大的价值。 

受客户需求的推动
客户追求更优质的自动化通风和空气净化系统,是推动传感器制造商快速研发的动力。为满足这一需求,气体传感技术需要在以下方面做出改进:
1.扩大选择范围
2.提高准确度和精密度
3.提高灵敏度

对选择范围的需求源自于人体对不同气体的不同反应。艾迈斯半导体的 CCS811 气体传感器能测量总挥发性有机物 (TVOC),而不某一种 VOC。“VOC”一词代表一大类气体,有些VOC的影响可能仅限于轻微不适,但不会对健康造成任何影响。例如,人体产生的具有异味的气体,如口臭。 

但 VOC 也包括有害的化学物质,如苯,这是一种已知的致癌物,是香烟烟雾和汽车发动机尾气的成分之一。 
图 2:汽车尾气是城市空气质量糟糕的原因之一 

能够辨别无毒但有异味的 VOC 和毒性 VOC 的气体传感器,将推动更优质空气质量监测系统和 HABA 系统的开发。

气体传感器测量的准确度和精密度会影响用户对空气检测数据的看法。如今,气体传感器 IC 可将空气质量划分为清新、中等、糟糕。但用户可能会产生这样的疑问:如何看待“中等”这一评断:是不需要采取任何措施?还是空气质量正在下降,将触发紧急措施,对空间进行通风? 

通过提高灵敏度,即使非常有害或非常令人不适的气体浓度极小,监测设备也能够识别,从而为最终用户提供更大的价值。

气体传感器开发的优先次序
气体传感器操作需要在以下四个领域开展研发:
首先需要材料科学领域的专业知识:作为当今气体传感器芯片的核心,需要新传感材料替代或补充现有 MOX 材料。
第二、微型化。用多气体传感器阵列替代当今的单元件传感器,可实现更大的选择范围。 
第三、将相对湿度传感功能集成到多气体传感元件的裸片或封装中。湿度变化对气体传感器测量结果具有显著影响,因此需要通过补偿算法来提高输出准确度,也可减小气体传感电路的总占位空间,并减少总组件数量。
第四,改进算法的范围和性能,利用这组算法可以将传感元件上的原始电阻测量值转换为气体浓度的数字值并修正。在下一代气体传感器中,这些算法还需要结合来自多气体传感器阵列和集成式相对湿度传感器的输入信息。

精确调控室内空气质量
制造商目前正在开发本文中介绍的这些技术以改进气体传感器特性。若能够在商业气体传感器芯片和模块中实现这些特性,将有助于早日量产新的空气质量系统,提供以下性能改进:
1.更加精确地分级响应空气质量变化
2.更加准确地测量污染及其他空气质量损害,为用户提供更一致的室内环境体验
3.更健康且更安全的室内空气,快速排出当今气体传感器无法单独检测的危险或有毒气体
当今市场上 MOX 气体传感器的功能以及这些传感器支持的空气质量管理应用表明,消费类、商业和工业市场对于能够提供更洁净、更舒适室内环境空气的自动化监测解决方案需求一直都十分强劲。 

随着气体传感技术的发展,当传感器芯片和模块能够提供比当今设备更高的准确度、精密度、灵敏度和选择范围时,这一需求将更加旺盛。

作者
Paul Wilson

艾迈斯半导体环境传感营销经理


—END—




更多精彩活动一览



* 如无特殊说明,网站所有文章版权归智慧产品圈所有,转载请注明来源


收藏
赞(5)
文章评论

智慧产品圈

联系我 +

微信:

推荐专题
杂志订阅
weixin二维码

微信 扫一扫
获取第一手资讯