更高标准的室内气体传感器激增

由于人们对室内空气质量的日益关注以及检测和测量技术的改进，气体传感器市场正在迅速扩大。

室内空气质量传感器的目标是与外界不同的气体和浓度(有一些重叠)。但在大流行之前，这一直是一个相对平静的市场，在大流行期间，大量关于什么对人和动物有毒的新研究出现了。随着大型笨重的系统被更小、更便宜、更精确的传感器和模块所取代，这种情况正在发生变化。

系统设计师现在面临的挑战是如何理解传感器遵守哪些标准，以及什么是实际可用的，有足够的数量和质量，以实现准确的结果。

TDK气体与环境传感产品和业务高级总监Sreeni Rao说:“我不必告诉你一氧化碳是一个杀手。”她正在研究气体传感器的SEMI标准。“但如果处理不当或通风不当，还有很多其他气体会致人死亡。在一个房间里，二氧化碳浓度高达5万ppm就能杀死一个人。”

好消息是传感器的数量正在迅速增加。例如，气体传感器开始出现在智能手机上。但是，虽然标准很多，但它们也在不断变化，所以知道应该遵循哪些标准，然后让传感器/模块得到可靠的第三方实验室的认证，是传感器设计的基本要素。

根据SEMI的MEMS和传感器工业集团(MSIG)最近进行的一项调查，没有一种方法适合所有的空气质量监测。“室内和室外的污染物是不同的，某些技术在检测方面可能比其他技术更好，”通用电气研究公司首席科学家、MSIG设备工作组主席Radislav Potyrailo撰写的一篇论文称;Ryotaro Sakauchi, Robert Bosch LLC的高级经理，负责Bosch Sensortec MEMS传感器的消费市场业务开发;TDK的饶;瑞萨(Renesas)高级产品营销经理克里斯蒂安·迈耶(Christian Meyer)，专攻气体传感器。

政府机构批准用于官方空气质量监测的笨重而昂贵的气体传感和空气质量系统没有被取代。但它们正在被更小、更节能的版本所补充，这些版本正在实现空气质量读数的民主化和微本地化。

传感器和系统设计师以及消费者面临的一个问题是，如何对过多的空气质量标准进行分类。其中一些标准仍在形成和更新中，其基础是关于什么是不健康的新科学。因此，认证一个系统是基于一个真正的标准，或一系列的标准，是很重要的。此外，这些设备需要持续校准，“解释”数据的算法也需要更新。

不同地区的标准可能有所不同。每个国家都有自己的室内空气质量(IAQ)标准，一些标准由建筑和健康/安全组织制定。因此，一些传感器制造商并没有遵循政府和建筑行业组织的标准，而是定义了自己的规则瑞萨专门研究气体传感器。

基于研究的新标准正在寻找室内环境对人们的影响。随着从健康研究中收集的大量数据被整合到设计过程中，这些标准也在不断发展。

三个重要的基于科学的室内空气质量(IAQ)标准来自UBA、WELL和RESET。

• UBA:这些标准来自Umweltbundesamt (UBA)，这是德国联邦环境局，为私人住宅提供了一系列建议。
• WELL:这是美国国际WELL建筑协会制定的建筑行业标准
• RESET:由GIGA管理，但由GIGA上海团队于2013年创立，集团总部位于加拿大Québec，在美国和中国设有办事处。RESET主要在亚洲使用。

这三项室内空气质素标准均由世界卫生组织及其他标准提供资料。包括办公室和工厂在内的公共场所的室内空气质量是有规定的，但住宅的室内空气质量往往没有规定。在大多数情况下，你不能强迫某人在私人住宅中安装一氧化碳传感器，尽管建筑规范中可能有关于新建筑或改建检查的规定。

“还有很多其他的标准，”瑞萨的迈耶斯说。“例如，ASTM有一个标准。SEMI有一个标准。UL有一个标准。因此，还有很多其他的标准，它们的侧重点不同。”

美国环境保护署(EPA)监测室外空气，观察四种气体的水平——臭氧(O_3.),没有₂,所以₂，以及空气中的CO和颗粒浓度，使用epa认可的仪器来获得空气质量指数(AQI)数字。

室内空气
气体检测技术可分为物理方法和物理化学方法两大阵营。物理方法有声学、热学、光学、分离和电子学。物理化学的是电化学的、电离的和耐化学的。室内空气质量传感器检测到一些与室外传感器不同的化合物。总挥发性有机化合物(TVOC)除CO外，还可以从家具、油漆和地毯中排出气体₂臭氧(O_3.)和NO_x检测包括在内。

图1:气体测量技术分为物理方法和物理化学方法。来源:瑞萨

绝对的措施
虽然人类的鼻子对污染物非常敏感，但它也能迅速适应，这就是为什么反复暴露在某些气味下的人会感觉不到它们。然而，它并不是无限的。鼻子和大脑在一定的阈值内适应环境。例如，坐在拥挤的会议室里吃午餐的人可能再也闻不到食物的味道了，但对刚进入房间的人来说，这种气味是显而易见的。同样，洛杉矶的居民闻不到臭氧，因为他们已经习惯了。

绝对测量很重要，因为你不能相信人的鼻子在一段时间后就能检测到气体。绝对度量是一个数字，而不是范围。

梅耶说:“这并不意味着空气是好的，只是因为我们闻不到它。”“但我们想要更进一步。我们不想测量绝对浓度。我们还想告诉你们它与认知评分和健康影响的关系，因为这是最终的计算方法。如果我们感觉良好，我们能证明我们有一个富有成效的工作环境吗?还是我们总是坐在家里感到疲惫?我们不制定自己的标准，因为我们不是医生。我们不是做社会研究的人，也不是研究认知分数的人。但我们确实参考了已经存在的标准。”

要测量的浓度水平是一项工作所需的传感器类型的一个很好的指标。如果检测百万分之一(ppm)，传感器的灵敏度可能低于检测十亿分之一(ppb)。化学家用mg/m来衡量气体的浓度^3.．工程师们谈论的是百万分之一或十亿分之一。

影响绝对测量的还有温度和湿度，这意味着传感器确实需要校准。梅耶说:“湿度和温度总是有影响的。“问温度的影响是什么，因为温度总是对一切都有影响，包括传感器。这就是为什么我们需要补偿温度和湿度。”

为了简化这一过程，湿度和温度传感器开始被内置到空气质量监测器中。“你已经拥有的典型的机场监视器内部有一个温度/湿度传感器。甚至一些智能手机已经具备了这种功能。”“目前有几十款智能手机配备了温度/湿度传感器。新技术是在智能手机上安装空气质量传感器。世界上有两款智能手机配备了空气质量传感器。”

图2:气体传感器技术。来源:瑞萨

阈值与相对测量
机器学习也被内置到传感器中，以便在其他变量的背景下更好地理解数据。使用阈值数字和测量可以触发相对数字处于危险水平的警报。

梅耶说:“谈到空气质量，有三件事是无与伦比的。“首先要记住一般的门槛。阈值是指某些特定的气体有一定的浓度，它变得不健康或有毒。举个例子，你在明火中会产生一氧化碳。在英国的家庭中，壁炉里有一个烟囱是很常见的，那里的通风不是很好。所以你有一氧化碳或氮氧化物，这是另一个例子。二氧化氮(NO₂)和一氧化氮(NO)的临界值较低，不应超过。在公共空间，如办公环境或工业环境中，它们是受管制的，所以不能超过一定的范围。对于一氧化碳，这是50ppm。一旦达到百万分之30，你就必须发出警报。你必须采取反击行动，你必须通知人们离开大楼，离开房间。”

结论
室内气体传感器ic和模块正处于类型、材料和形状因素的复兴阶段，更多的创新仍处于研究阶段。系统级固件和硬件的改进，以及机器学习算法，使系统设计师更容易在系统中采用气体传感器，自动化建筑空气质量读数和调整，并报告空气质量。根据用例，从这些传感器提取的数据与所需的数据一样准确(感应到百万分之一或十亿)。

随着这些传感器的激增，可能会有更多的选择和功能，可能会有更多的传感器必须遵守的标准。能够廉价而准确地测量少量气体仅仅是第一步。