環境感測器
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氣體感知邁向大規模商用 eCO2隨時隨地改善空氣品質
電子鼻或環境感測器是目前需求量很大的一項技術。對這類感測器感興趣的背後有許多因素，包括室內和室外污染程度的增加，以及消費者對上述情況影響健康和生活品質的意識增強。能源效率是推動開發有效、精確的環境感測器的另一個關鍵因素。展望未來，如果能取得可行且準確的環境感測技術，將能帶來巨大的利益。
室內空氣「污染」日益凸顯
由於人類活動和環境條件的結合，大多數人都曾在電視上看到世界主要城市煙霧瀰漫的影像。然而，人們通常不知道室內空氣污染也是同樣嚴重的問題。美國環境保護署(EPA)等團體所做的研究發現，室內空氣品質平均比室外空氣品質差二到五倍。世界衛生組織(WHO)發現，室內空氣品質差是導致各種可預防的健康問題的重要原因。他們的研究顯示，東南亞和西太平洋地區有超過百分之五十可歸因於空氣污染的死亡，是由室內空氣品質造成的。
在較不極端的情況下，室內空氣品質差會導致疲勞，並對注意力集中、表現和決策產生負面影響，這種現象稱為病態建築症候群。考量到大多數人待在室內就占了80%~90%的時間，這個問題變得更不容忽視。為了節省冷暖空調所耗用的能源而實施隔熱和氣密的現代住宅設計，卻出現了意外副作用，包含污染物和氣體不易消散、容易累積；如此一來，住家內的空氣品質可能比大門外的空氣品質差了數倍。
住家的污染物來自何處？其中一種常見來源是家裡日常用品中的揮發性有機化合物(VOC)，例如黏著劑、溶劑、電器甚至是地毯。但是，VOC並非室內污染物的唯一來源。二氧化碳(CO2)是一種無色無味的氣體，也是呼吸的副產品。二氧化碳以約400ppm自然存在於大氣中，但在室內環境中可以發現其濃度相當高(圖1)。二氧化碳若超過正常標準，可能導致人類出現各種副作用，例如注意力喪失、疲勞、生產力降低、情緒改變、頭痛等。
圖1 二氧化碳對人類決策表現的影響
環境空氣品質感測
能夠準確感知周圍的環境，讓我們有機會調整環境或提醒人們正處於不安全的狀況。只要思考一下其中的可能性，就能發現各種用途。想像一下，智慧家庭裝置能夠主動並準確地監控家中的空氣品質，嗅出人體的鼻子無法偵測到的有害氣體。智慧家庭控制系統可以偵測諸如二氧化碳濃度增加等情況，並視情況調整通風系統。根據空氣品質調節暖氣、通風和空調(HVAC)，可節省高達50%的HVAC設備所需的能源，這將能節省建築物25%的總能耗。
另一種可能性是將其安裝在路燈上的空氣品質監測系統，以便掃描空氣污染情況，並將數據回報至中央監測站。可分析該數據並調整交通流量，將車流引導至替代路線；如此一來，便能減少導致該區域空氣品質低落的汽車數量。
透過有效的空氣品質感測，行動裝置和健身設備可以監控環境並警告使用者空氣品質不良。這些感測器不僅可監控家中的空氣，還可以監控車內空間，因為該空間是我們從住家和辦公室之間通勤時所待的地方。
發展可靠、簡易二氧化碳感測技術
有幾種方法可用於偵測二氧化碳。目前的偵測方法是以非分散紅外線(NDIR)感測器進行，這個方法最昂貴也最準確。這類裝置是簡單的光譜感測器，通常用於偵測氣體，例如在大樓自動化應用中。典型的NDIR是相當龐大的感測器，由紅外線光源、樣品室、光譜濾光片，以及參考和吸收紅外線探測器組成。
目前，市場上還沒有具有成本效益且精確的二氧化碳感測器。部分供應商已開發出可偵測室內環境中各種污染物的感測器，然後利用演算法計算出等值二氧化碳(稱為eCO2)。該解決方案假設二氧化碳污染源主要來自在場人員，而其結果是基於各種假設的最佳推測。由於上述eCO2讀數僅為估算值，因此基於此可能不準確的資訊做出的室內空氣品質控制決策，可能導致不必要的通風而消耗能源。
eCO2感測解決方案
廠商在環境中進行了一些測試，在實際的狀況下測量室內的二氧化碳濃度。使用工業級感測器記錄正確的CO2測量值，然後與使用常見的消費級MOX感測器測量的eCO2進行對比。測量是在各種情況下進行的，包括在壁爐中先後燃燒木材和煤、用水壺燒開水、打開和關閉窗戶，以及烹煮食物。圖2顯示測量結果。
圖2 建築物中的空氣品質測量
eCO2測量值與工業級感測器測量的實際二氧化碳濃度之間相關性非常低。VOC和eCO2之間存在良好的相關性，但這並不是很有用，因為這並非真實存在於室內環境中的二氧化碳的可行指標。在房間裡噴灑香水時，可以在圖表上清楚地看到這一點。真正的二氧化碳感測器不受影響，因為香水沒有為環境帶來任何二氧化碳。但是VOC和eCO2感測器受到極大的影響，並顯示二氧化碳增加，即使二氧化碳濃度實際並無變化。
雖然有多種偵測二氧化碳的方法，但這些方法未能完全符合感測器的需求，因為這些感測器必須能安裝至諸如恆溫器或行動裝置之類的裝置中。無法選擇性使用MOX感測器，而且它會受到濕度和溫度的影響。eCO2解決方案以VOC測量值為基礎進行估算，但只能推估二氧化碳的濃度可能是多少。NDIR感測器可避免上述問題，但它們體積龐大且價格昂貴，不適合大量應用。
測量二氧化碳可以監測和改善室內空氣品質，但近期內看不到可行的技術解決方案，這似乎是現代生活挑戰中的一個罕見案例。一旦獲得低成本、低功耗、準確且穩定的解決方案，該產業就有望在空氣品質監測和管理方面獲得顯著進步，進而大幅改善人類健康和壽命。
(本文作者為英飛凌科技事業發展經理)
Bourns推出高靈敏度/精確壓力感測器
Bourns發表進階版環境感測器系列，其中包含一個新版壓力感測器。Bourns BPS140系列壓力感測器基於最先進的微機電系統(MEMS)技術，在微型封裝尺寸下提供極其精確的狀態讀數。新型BPS140壓力感測器提供高靈敏度/準確度和長期可靠性，提供較寬廣的操作溫度能力和苛刻介質兼容性。
BPS140系列極其堅固，其結構即使在高溫下也能夠處理高壓範圍(15~500 PSI)。Bourns最新壓力感測器的另一個優點是結構與背面壓力測量相結合，可大幅降低介質敏感的濕潤材料。這種背面感測設計的目的是確保被測介質僅接觸測量元件的背面。
Bourns感測器與控制器產品線經理Alain Leon表示，BPS140的結構提供了獨特的感測器精度優勢，因為所有電子元件和其他敏感表面都與介質隔離。並且，通過減少濕潤材料的數量，有效地降低感測器的介質敏感度。
Bourns新型感測器系列在產品使用週期間可提供穩定的性能，總誤差為2.%FS，溫度範圍為-40°C~150°C(六標準差流程)，產品壽命變化為0.5%FS。這些特性使BPS140壓力感測器成為各種工業、能源、重型設備、建築&家居控制以及中/低等風險醫療設計的理想解決方案。