【导读】据麦姆斯咨询介绍，自新冠疫情爆发以来，科学家对新冠病毒的传播途径逐渐有了更深入的了解。研究表明，该病毒主要通过人与人之间的密切接触传播，多发于密闭的室内空间。这是一个非常重要的管控方向，因为根据美国环境保护署（EPA）的统计数据，人们90%的时间都处于各种室内空间，而这可能使他们面临高风险。
- 新冠疫情（COVID-19）使室内空气质量测量日益受到重视。
- 市场上现有二氧化碳（CO₂）传感解决方案存在可能影响其性能的短板。
- 利用MEMS技术实现的光声光谱（PAS）方案能够克服上述难题。
因此，室内空气质量的有效监测正变得越来越重要。而CO₂浓度是衡量空气质量最可靠的指标之一。如果房间通风不良，CO₂浓度水平会逐渐升高。例如，在一个通风不良的面积约为4平方米的房间内，只有一个人身处其中时，CO₂浓度值可能会在45分钟内从500 ppm（0.05%）上升到至少1000 ppm（0.1%）。
由于CO₂是无色无味的气体，无法通过视觉或嗅觉觉察到其浓度的增加。不过，当CO₂浓度高到一定水平以上时，会开始引起人体不适，如头痛和困倦，而到了2000 ppm（0.2%），人类的认知能力就会受到损害，更高的浓度则会对健康造成严重威胁。
当人们在空气中呼出更多的CO₂时，会同时产生大量的气溶胶——一种微小的呼吸液滴或微粒，这些微粒会在房间内扩散。大量研究论文表明，气溶胶在通风不良的房间中长时间滞留，会增加病毒通过空气远距离传播的风险。因此，室内CO₂浓度成为新冠疫情管控的一个关键考量因素。
柏林大学（TU Berlin）开展的一项研究表明，室内空气对于人体健康起着重要作用，因为病原体可以长期悬浮在通风不良的室内空气中。因此，建议室内经常通风，以减少感染的机会。
现有CO₂传感器的短板
随着人们认识到CO₂浓度的升高可能会助推新冠疫情的传播，办公室、健身房、酒吧和餐馆等室内场所应用CO₂测量解决方案的意识日益高涨。然而，尽管对气体传感技术的需求正在上升，但很多现有CO₂传感解决方案仍存在可能影响其性能的明显短板。
例如，非色散红外（NDIR）CO₂传感器包括很多内部组件，包括红外光源、样品室、光谱滤波器以及参考和吸收红外探测器，由此构建的传感设备相对笨重且昂贵。
一种小尺寸、低成本的替代方法是估算CO₂（eCO₂）传感器。这种传感器利用算法根据已知的挥发性有机化合物（TVOC）总浓度计算出等效CO₂值。这种估算法是根据一组假设而非实际测量实现的，因而这种解决方案有其自身的缺点。因此，仍需继续探索一种紧凑、经济高效的传感器，以提供准确、真实的CO₂测量。
光声光谱（PAS）技术的发展
英飞凌（Infineon）利用其MEMS技术积累开发了一种基于光声光谱法（PAS）的新型CO₂传感器，克服了上述诸多短板，使CO₂传感技术适用于更多应用。这项技术基于气体分子只吸收特定波长光的原理。
1. 光声光谱（PAS）方案基于气体分子只吸收特定波长光的原理。
对于CO₂，其特定吸收波长为4.2 µm。在检测过程中，首先通过带滤光片的脉冲红外光源产生该波长的光，通过环境空气样品。气体吸收光能会导致快速的加热或冷却，从而导致目标气体的热膨胀或收缩，进而影响压力的波动，可以使用针对低频优化的声学探测器准确记录压力变化。然后对该信号进行分析，以了解空气中的CO₂含量，信号越强，CO₂浓度越高。
利用高灵敏度MEMS麦克风作为压力传感器检测气体，提供了小型化优势。这种传感器的其他元件包括光声换能器、红外光源和光学滤波器，一颗微控制器负责信号处理，一颗金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）驱动红外光源。
英飞凌克服了很多挑战将探测器的性能推向了极限，并将系统噪音降至绝对最低。通过封装，MEMS探测器与外部噪声实现声学隔离，仅检测来自腔室中CO₂分子的压力变化。隔离气体检测室和相关电子元件等所有组件都集成在了一块PCB上。吸收室在声学上与外部噪声隔离，以确保准确的CO₂传感数据。否则，CO₂检测功能会受到显著影响。
据英飞凌称，其XENSIV PAS CO₂传感器是业界第一款基于PAS原理的真正CO₂传感器。得益于超灵敏的MEMS麦克风，这款传感器可以检测传感器腔内CO₂分子产生的压力变化，而不会拾取外部噪音，输出ppm级的CO₂浓度。
2. 英飞凌XENSIV PAS CO₂采用独特的PAS检测原理，是一款真正小型化CO₂传感器。
性能数据证实，即使面对最小的压力波动，这款传感器也能获得高质量的结果。因此，超精密测定只需要最少量的气体，这意味着样品室的尺寸可以尽可能小。
XENSIV PAS CO₂传感器（14 mm × 13.8 mm × 7.5 mm）比典型的NDIR传感器尺寸小4倍，重量轻3倍，可以为系统设计节省75%以上的空间。
CO₂传感器用于疫情管控
XENSIV PAS CO₂传感器有潜力在新冠疫情的管控中扮演重要角色。全球都希望在有效控制疫情传播的同时重新开放关键基础设施，CO₂传感器技术将成为有效监测空气质量、减少室内环境气溶胶的重要工具。
甚至在疫情流行开始之前，德国联邦环境署和美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）就已经发布了建议，教室和办公场所的CO₂浓度不应超过1000 ppm（作为对比，全球大气CO₂平均浓度为400 ppm）。
人员密度较高的室内场所会呼出大量含有CO₂的空气，因此CO₂测量技术将部署到更广泛的多人室内环境。低成本小尺寸的CO₂测量设备有望扩大该技术的应用，为室内高浓度CO₂和气溶胶提供警报，从而提供一种更便利的管控病毒以及其它疾病传播的手段。
潜在应用广泛
除了感染风险控制，CO₂传感器测量的数据还可以应用于智能楼宇的通风控制系统，被称为按需控制通风（DCV）。在这样的系统中，CO₂测量可以帮助实时调整房间内的空气，自动将其与室外空气交换更新。从而确保室内CO₂浓度保持在可接受的水平，提高身处其中人员的舒适度和幸福感。
此外，办公场所和家庭环境有效的空气控制还可以显著节约能源，同时降低相关成本和CO₂排放。据统计，在美国各地的建筑中应用DCV系统可以减少多达五分之一的总能耗，每年节省大约800亿美元的能源成本。
例如，美国一所平均规模约为7000平方米的学校，每年的暖通空调能耗约为5.6 美元/平方米。采用DCV系统能源效率提高20%后，每年可以节约相当于8000美元的成本，减少35吨的CO₂排放。
小型化的CO₂传感器还可以连接智能家居中的智能助手和其他物联网设备，例如联网的空气净化器、恒温器、婴儿监视器，甚至智能照明等。未来还会有更多的应用，特别是在农业领域，CO₂传感器可以用于智能温室管理，推动室内/垂直农业的发展。它们还可以安装在车站等城市中人群经常聚集的地方，以支持城市管理/CO₂排放控制政策等。
以XENSIV PAS CO₂为代表的紧凑型高精度CO₂传感器，为智能建筑节能、空气质量管理以及其它智能应用打开了大门。不仅如此，随着人们对新冠病毒以及其它空气传染疾病的认识越来越深，这种CO₂传感技术的普及为公共卫生管理提供了一种强有力的工具。
来源：麦姆斯咨询，殷飞
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