英飞凌的新型XENSIV™PAS CO2传感器可室内监测和控制空气质量

室内气候在健康保护中起着关键作用，因为病原体在住宅和办公楼中以典型的空气交换率在房间中停留数小时。建议增加新鲜空气供应。为了监测和控制空气质量，创新的CO2传感器（例如英飞凌的新型XENSIV™PAS CO2）可提供精确，经济高效且节省空间的解决方案。

当前的统计数据，例如美国环境保护署（EPA）的统计数据显示，人们将近90％的时间花在室内，而室内某些污染物的浓度通常比典型的室外浓度高2到5倍。1CO2浓度是空气质量的关键指标。在这一点上，值得注意的是，大约140年前，Max von Pettenkofer用他对CO2水平的研究奠定了有关空气质量的现行法规的基础。建筑物中的CO2值越高，室内人员的舒适度就越差。在通风不良的房间中，CO2浓度会迅速增加。例如，在约4 m2的空间中仅由一个人占用，CO2值在短短45分钟内从500 ppm（0.05％）升至1,000 ppm（0.1％）以上。在此水平上，无味无色的气体会引起头痛，嗜睡和浓度不佳，通常会导致生产率下降。从2,000 ppm起（0.2％）起，甚至人类的认知能力也会受到影响，并且在较高水平下存在严重的健康风险（图1）。

图1：CO2很重要，因为超过2,000 ppm的水平会显着影响认知功能。

但是，室内CO2浓度还存在其他健康风险。如果空气中有大量呼出的CO2，也将有大量的气溶胶。高浓度的气溶胶会增加房间中其他所有人的感染风险。特别是在Covid-19时代，这对于办公室，学校，商店等至关重要。当感染冠状病毒的人咳嗽，说话或打喷嚏时，会产生由小滴和气溶胶组成的喷雾，该喷雾会渗透到室内的空气中然后扩散。在论文“ SARS-CoV-2的气溶胶传播”中，2几位研究人员表明，室内通风不良或通风不良的情况可能会增加Covid-19烟雾传播的可能性。通风不足会导致病毒在空中的长距离传播和机会性感染。柏林工业大学3所做的一项研究表明，室内气候在健康保护中起着关键作用，因为病原体会以住宅和办公大楼中典型的空气交换率在房间中停留数小时（图2）。下沉率和换气过程需要花费大量时间。因此，建议增加新鲜空气的供应。为了监测和控制空气质量，采用了创新的CO2传感器，例如新型XENSIV™PAS CO2英飞凌的图3提供了精确，经济高效且节省空间的解决方案。这些可以优化房间的空气质量，使室内生活和工作条件更加健康和高效。

图2：在两节课之间的休息时间里，教室中CO2（左轴）和气溶胶（右轴）的浓度增加

图3：XENSIV™PAS CO2传感器的尺寸仅为13.8×14×7.5 mm。

冠状病毒大流行期间的亲自教室和办公室工作引起了对气溶胶和感染风险的担忧。无论您在一个房间中有多少人，哪里都有大量含有CO2的呼气。德国联邦环境局和美国暖气，制冷与空调工程师协会（ASHRAE）在冠状病毒爆发之前很久就发布了建议：在教室和办公室中，CO2浓度不应超过1,000 ppm。相比之下，在室外新鲜空气中，CO2浓度为400ppm。在这种情况下，安装CO2的想法教室和办公室以及其他室内公共场所（例如健身房，酒吧和饭店）中的测量设备，旨在防止病毒传播。当然，可以测量空气中的气溶胶，如果气溶胶过高，则会发出警报。但是，这种测量装置复杂且昂贵。另一方面，现在可获得廉价且紧凑的CO2测量装置，其可以警告空气中的高浓度CO2并因此警告高水平的气溶胶。这些可用于表明冠状病毒感染的潜在风险增加。

可靠的CO2监测不仅对于Covid-19非常重要，而且在室内度过时也有利于整体健康和生产力。CO2传感器可用于测量二氧化碳浓度，从而测量室内空气的质量（图4）。但是，为了改善周围的空气质量，从而提高人们的室内舒适度和生产率，需要更加可靠且价格合理的CO2传感器。当前，有两种选择：准确但体积大且昂贵的传感器和较小但不准确的传感器，它们提供的总估计值不适合适当控制。XENSIV™PAS CO2相反，传感器是各种应用的理想选择，以紧凑的格式提供精确的结果。

图4：英飞凌其中一间会议室中CO2含量的增长

通过空气控制节省能源和成本

通风系统不仅有益于人类福祉。在住宅和商业建筑中进行有效的空气控制可以节省能源，同时减少相应的成本和CO2排放。

在美国，家庭平均每年在能源上花费约2,000美元。通过适当的升级，他们每年可以节省约400美元。其他部门也可以从基于可靠CO2的空气质量控制中受益测量。学校，医院，饭店和商店也有很高的能源需求和相关的高费用。总体而言，像美国这样的国家每年在为所有建筑物提供能源方面的支出超过4000亿美元。他们使用美国发电量的约74％，约占美国能源总支出的40％（图5）。借助有效的楼宇自动化技术（也称为需求控制通风（DCV））来控制通风，美国的建筑能耗可减少多达20％，每年可节省约800亿美元的能源成本。4

如果从一开始就对建筑物进行适当的规划，建造和运营（例如使用DCV），则建筑物的能源效率最多可提高供暖，通风和空调（HVAC）能源费用的30％。5反过来，这将有可能减少总体能源需求，一方面解决全球性的能源短缺问题，另一方面减少对环境的威胁。一个典型的例子：美国一所平均面积约为7,000平方米的学校，每年的HVAC能耗约为5.6美元/平方米。6,7假设基于DCV的能效为20％，则每年可节省8,000美元。这意味着节省了80,000 kWh（假设为10美分/ kWh），相当于节省了35吨CO2减排。这相当于拥有1600棵树木的森林每年的CO2消耗量。

图5：在美国和欧洲，建筑能耗占总能耗的40％。

CO2传感器的可能应用

由CO2传感器测量的数据可以以多种方式使用。在DCV中，HVAC系统使用这些值根据目标应用需求自动将房间中的空气混合物调整为外部空气的混合物。这样可以将室内的CO2浓度保持在特定值，例如，根据ASHRAE关于通风和住宅建筑物中可接受的室内空气质量的标准，应低于1000 ppm。鉴于CO2传感在健康和减轻感染风险方面的好处，人们可以期望在教室，办公室，体育馆和酒吧中广泛使用CO2传感器，这些传感器将检测到不良的空气质量。一个例子是所谓的CO2红绿灯;该设备会向乘员发出高CO2浓度警告，并因此警告高浓度的气溶胶，这是向房间通风的明确信号。可以在连接到云解决方案的传感器网络中组织这些传感器，以实现数据智能和远程访问。

CO2传感器还有许多其他潜在用途。小型CO2传感器适用于诸如智能家居助理和空气净化器和恒温器之类的IoT设备的应用。将来可能还会有其他应用，例如婴儿监测，食品质量控制，健身跟踪和农业。

现有解决方案的局限性

如今，非分散红外（NDIR）传感器通常用于楼宇自动化。它们由一个红外光源，一个样品室，一个光谱滤光片以及参考和吸收红外检测器组成，这就是它们相对较大且昂贵的原因。尽管它们提供了真实，准确的CO2测量值，但其外形尺寸却使其难以集成，从而使其不适合安装在小型IoT设备或智能家居组件中。

各种室内污染物也可以通过所谓的eCO2传感器进行检测，但是与NDIR传感器不同，它们无法进行实际测量。相反，他们使用算法来计算等效的CO2值。这些传感器基于许多假设（例如，导致CO2负荷增加的人数）来提供估计值。使用这种方法，空气质量不会总是在正确的时刻得到改善，这意味着气候控制系统会消耗不必要的大量能量。当前市场上没有可比的解决方案，既可提供准确，真实的CO2测量，又小巧且具有成本效益。

具有光声光谱的CO2传感器

凭借其在微机电系统（MEMS）技术方面的经验和领先地位，英飞凌成功开发了基于光声光谱（PAS）的新型CO2传感器（图6）。PAS方法基于亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）在1880年发现的光声效应。英飞凌拥有从传感器设计到系统实施的PAS技术的全面且不断增长的专利组合。该方法利用了以下事实：气体分子仅吸收特定波长的光。在CO2的情况下，波长是4.2μm。通过带有滤光片的红外源，以正好此波长的光快速地（即能量）提供给气体。由于快速加热和冷却，这又导致热膨胀和收缩，从而产生压力变化，该变化可以由针对低频进行了优化的声学检测器记录下来。然后评估信号并用于得出有关CO2量的结论。信号越强，CO2浓度越高。用作压力传感器的高度灵敏的MEMS声学设备用作检测器，可实现显着的小型化。

Infineon CO2传感器将光声换能器与检测器，红外源和滤光器集成在一块小型PCB上。该传感器使用微控制器进行车载信号处理，复杂的算法以及用于操作红外源的MOSFET。开发基于PAS的CO2传感器的主要挑战是将检测器的性能推到极限并最小化系统噪声，即，将MEMS检测器与外部噪声隔离，从而仅使压力变化源自CO2分子在腔室中被检测到。吸收室与外界噪声在声学上隔离开来，以提供准确的CO2感测信息。否则，CO2的功能检测将被严重破坏。在开发解决方案时，英飞凌可以从其在声学和相关应用领域的多年经验中受益。MEMS麦克风响应的建模，扩散端口的专利隔音技术以及用于验证建模结果的快速原型设计，可以实现最佳的系统设计。

图6：光声光谱（PAS）原理（来源：美国能源部，美国[2015]。第5章：提高建筑系统和技术的效率。《四年期技术评论：能源技术和研究机会的评估》，第143-181页。）

CO2传感器的优点

英飞凌已利用其在传感器和MEMS麦克风中的最先进功能来开发针对CO2的破坏性环境传感技术。XENSIV™PAS CO2（表1）是基于PAS原理的真实CO2传感器。该传感器使用英飞凌高度敏感的XENSIV™MEMS麦克风，该麦克风可检测传感器腔内CO2分子产生的压力变化，而不会吸收外部噪声。作为输出，它提供CO2浓度（百万分之一）。数据显示高质量的结果，即使压力波动最小。因此，少量的气体足以进行精确的确定，这就是为什么可以将样品室的尺寸设计得适当小。

XENSIV™PAS CO2的外形尺寸非常小，比典型的NDIR传感器小4倍（14×13.8×7.5毫米），重量减轻了3倍（2克），可在客户系统中节省超过75％的空间。此外，大多数商用NDIR传感器附带的连接器与大批量装配标准不兼容，导致制造过程耗时。另一方面，XENSIV™PAS CO2的设计和提供（卷带包装）考虑了大批量的自动制造，具有表面贴装技术（SMT）的功能，可轻松组装并快速集成到客户的系统中。

简而言之，该传感器以超紧凑的设计提供了高精度，这使其成为HVAC控制（DCV）应用的正确选择，从而实现了节能并符合主要的智能建筑标准（例如LEED，WELL）。

可用性和展望

所有传感器组件均根据高质量标准在内部开发和设计。英飞凌将继续开发PAS技术，以进一步减小尺寸和优化成本，并使其性能适应工业和消费市场中的其他CO2传感应用。PAS技术平台可能会解决其他气体。此外，英飞凌/赛普拉斯的生态系统将被利用来向市场提供完整的系统产品，包括传感，处理，驱动和连接。

新型PAS CO2传感器的原型已经在关键客户应用中进行了测试和验证。PAS CO2评估套件目前可提供样品。一套完整的产品评估板（PAS CO2评估板，基于Arduino的Shield2Go板和基于Infineon / Cypress生态系统的基于Adafruit羽毛的PAS CO2翼板），软件库和综合文档，包括应用笔记，还将很快面世，以支持客户并缩短PAS CO2传感器的设计上市时间。最终，该传感器将大大改善室内空气质量，从而改善我们的健康状况。

参考资料

1美国环境保护署。1989年。向国会提交的关于室内空气质量的报告：第2卷。EPA/ 400/189 / 001C。华盛顿特区

2Li，Y。，等。SARS-CoV-2的气溶胶传播。medRxiv。https://bit.ly/34MbyhC

3Hartmann，A；Kriegel，M.基于CO2浓度的载有病毒的气溶胶的风险评估。柏林工业大学。https://bit.ly/33SAIMj

4https://bit.ly/3lT93RQ

5美国能源部（2015）。对能源技术和研究机会的评估。四年期技术评论。美国能源部。

6https://bit.ly/2SSu6HM

7典型的能源成本为1.30美元/平方英尺（2007年）。
编辑：hfy