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揮發性化合物氣體感測 空氣品質監控有一套

今天,最受歡迎的氣體感測器晶片應用與空氣品質監測相關,可以支援家庭和建築物自動化(Home And Building Automation, HABA)系統的運作,觸發空氣清淨機和淨化器,以及為智慧型手機等消費性裝置的生活和家庭環境應用提供數據。 現今應用中的氣體感測器晶片,通常是使用由金屬氧化物(MOX)材料製成的微加工(Micro-Machined)感測元件。在主動感測模式下,此元件會被加溫至150℃和450℃之間。在這樣的高溫下,感測元件的電阻會隨著暴露於各種類型的還原或氧化氣體而發生變化。藉由測量電阻的變化,就可以計算環境空氣中氣體濃度的相對值。在空氣品質監測應用中,這些單一元件氣體感測器能提供極高價值,艾邁斯半導體(ams)的MOX型CCS811氣體感測器(圖1)就是此類產品,這類氣體感測器提供兩個主要優點: 圖1 ams CCS811評估套件,結合感測器板(右)與USB-to- I2C橋接板(左) .計算等效總揮發性有機化合物(eTVOC)值,測量環境空氣中的相對濃度,以十億分之一(ppb)計。 .計算等效二氧化碳(eCO2)值,用於測量環境空氣中的相對濃度,單位為百萬分之一(ppm)。 透過空氣淨化器或是智慧型恆溫器等設備的軟體演算法,可以從各種還原氣體的eTVOC測量中得到空氣品質指標或總體空氣品質分數。此外,針對人們所在的密閉空間,由於除非有來自外部的新鮮空氣流入,否則人們的呼氣往往會增加室內空氣的二氧化碳(CO2)濃度的濃度,因此eCO2測量是很可靠的替代措施。 這些相關氣體濃度的測量,已成功運用於需求控制通風(DCV)和空氣淨化系統的自動調節。這表明空氣品質監測技術的應用的確有其價值,不過,潛藏的更大的價值仍有待實現。進展取決於氣體感測技術在四個方面的發展。本文概述現今氣體感測器製造商的開發工作重點,並說明該技術在未來可能支援的全新應用以及可實現的改善。 市場需求驅動技術發展 促使感測器製造商快速研發的驅動力,來自客戶對於更好、可自動運作的通風和空氣淨化系統的需求。為滿足此一需求,氣體感測技術需改進以下方面: .更高的選擇性 .更高的準確性和精度 .更高的靈敏度 對於選擇性的需求,源於人體對不同氣體的不同反應。以氣體感測器為例,透過大量安裝,可以測量所有的揮發性有機化合物(VOC)。「揮發性有機化合物」這個名詞涵蓋多種氣體:它們的作用可能僅限於引起輕微不適,但對健康沒有影響。的確是這樣,例如,人體產生的氣體,像是口臭就是散發令人不快的氣味。 但揮發性有機化合物類別還包括有害化學物質,例如苯,這是一種已知的致癌物質,存在於香菸煙霧和汽車引擎的廢氣中,如(圖2)所示。 圖2 車輛排出的廢氣是造成城市地區空氣品質欠佳的原因之一 使用氣體感測器區別有氣味但無害的VOC,以及有毒VOC揮發性有機化合物,如此將能夠開發出更佳的空氣品質監測系統,該系統可以根據空氣的危害性,提供漸進式的緊急和嚴重程度信號給使用者,且功能更強大的HABA系統能夠在沒有使用者介入的情況下,自動將有害氣體排出室內空間。 氣體感測器測量的準確性和精度,會影響使用者對於空氣品質監測設備提供的資訊價值的評價。現今的氣體感測器IC可以提供多種指數,將空氣品質分為乾淨、中等或惡劣。VOCs和CO2濃度測量的準確性,足以確保隨著時間推移,以及環境溫度和濕度的變化,這三個指數仍能維持一致性和準確度。 但是,如果空氣品質評等是「中等」,用戶可能會不知該採取哪些措施。空氣近乎乾淨,所以不需採取任何行動?或者是接近惡劣且快速惡化,所以應該採取緊急行動讓該區域通風? 更正確和精確的測量,能夠為終端使用者提供更有用的指示。更高的靈敏度,使得監測設備能檢測出濃度極低卻極端有害或令人不適的氣體,進而提高對終端使用者的價值。此一目標的達成涉及幾個關鍵標準。 氣體感測器開發重點 須針對氣體感測器的四個層面進行研發,使新裝置具有更高的選擇性、準確性和精確度以及靈敏度。 首先,是材料科學領域的專業知識:需要更新的、更佳的感測材料來代替或是輔助現今氣體感測器晶片核心所使用的MOX材料。新型的感測材料可以透過辨識特定氣體來提供更高的選擇性;如果比較不易受到雜訊或是污染的影響,則可以提高準確度;又或者如果它們能夠辨識比較低濃度的單氣體或多種氣體,則可以提高靈敏度。 第二個研究是半導體設計及製造商所熟悉的微型化。以多氣體感測器陣列取代現今的單一元件感測器,可以實現更高的選擇性。 但是用於氣體感測器的主機設備(例如行動電話、智慧音箱或LED燈具)受到空間限制,所以氣體感測晶片或模組能占有的空間不會比現在大。現今單一感測元件的面積通常約是1mm2:感測器晶片製造商面臨的挑戰是在相同的占板面積中容納多感測器陣列。 將相對濕度感測功能整合進包含多氣體感測元件的同一晶片或封裝中,則是第三個挑戰。濕度變化對氣體感測器測量有顯著影響,這就意謂著須使用補償演算法來提高輸出精度。如果能在取得氣體樣本的相同位置取得濕度樣本,則能增進這些演算法的有效性:這有助於提高檢測準確性。 將濕度感測整合至多氣體感測封裝中,還能減少氣體感測電路的總占板面積並減少元件總數量。 最後,氣體感測器製造商須持續改進演算法的範圍和效能,這些演算法是用來將感測元件的原始電阻測量值轉換及校正為環境空氣的氣體濃度數值。在下一代氣體感測器中,這些演算法需要整合多氣體感測器陣列及整合型相對濕度感測器的輸入:相較於以前的氣體感測器系統,執行這些日益複雜的演算法需要更強大的處理能力。 室內空氣品質精準調校 感測器製造商目前正在研發本文所述的這些技術特性改善。在商用氣體感測器晶片和模組實現這些技術特性,將能使新的空氣品質系統提供更佳的效能,其中包括: .針對空氣品質變化提供更精確的漸進式響應。 .更準確地測量污染和其他空氣品質危害,為用戶提供更一致的室內環境體驗。 .快速排出危險或有毒氣體,如此能提供更健康、更安全的室內空氣,而這是現今氣體感測器無法做到的。 現今市場上MOX氣體感測器的功能,以及其所支援的空氣品質管理應用,顯現出了消費者、商業和工業市場對自動化和監控解決方案的需求,這些解決方案能夠產生更乾淨、更舒適的室內空氣。 氣體感測技術的發展將催生更強大的感測器晶片和模組,這些產品所提供的正確度、精度、靈敏度和選擇性皆將高出目前的設備,屆時此方面需求將更為強烈。 (本文作者為ams AG環境感測行銷經理)
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