二氧化碳濃度是衡量室內空氣品質的關鍵指標。良好的空氣可以讓人們不易倦怠，生產力更高，而室內二氧化碳濃度過高則意謂著空氣品質差，其原因往往是空調和循環通風不足。
這會導致健康問題，包括病態建築綜合症(SBS)，其幫兇還包括其他室內有害物質，如粉塵、黴菌、花粉、細菌甚或石棉等。
二氧化碳濃度過高有害健康
多年來，受人類活動的影響，溫室氣體濃度已慢慢升高，環境中的二氧化碳濃度值也隨之成長；如今，大氣二氧化碳濃度值已突破代表健康新鮮空氣的400ppm(0.04%)限值。藉由良好的新鮮空氣循環通風，可以實現不超過1,000ppm(0.1%)的室內二氧化碳濃度值，這個限值仍然被視為可接受的。從科學的角度來講，以這個值為上限，二氧化碳濃度值對於健康至關重要，因為高於這個限值的二氧化碳濃度將會對健康產生不利的長期影響(圖1)。
圖1 高二氧化碳濃度對健康的影響
哪怕在1,000ppm(0.1%)至2,000ppm (0.2%)濃度範圍內，空氣品質差的影響也是顯而易見的，人們會感到十分疲憊。濃度超出這個水準之後，人們會覺得窒悶，並且出現頭痛、倦怠、注意力不集中和心率加快等現象。因此，衛生組織建議盡可能使室內二氧化碳濃度值保持在1,000ppm(0.1%)以下。環保署還明確建議向室內輸送戶外的新鮮空氣，以改善室內空氣品質，例如使用暖通空調系統(暖氣、通風、空調)。
從建築空調到物聯網應用皆需二氧化碳感測
應用數量如此之龐大，無怪乎分析師認為，二氧化碳感測器市場的年成長率將達到兩位數。二氧化碳感測器可用於監測室內空氣，確保住宅、學校、辦公室和商業建築等實現更好的通風，從而有助於人們集中注意力，提高生產力。小型感測器還適用於生活區域以及相應的物聯網設備，如數位助理、煙霧探測器、路由器、空氣淨化器或空調系統等，甚至還可以安裝到筆記型電腦或顯示器中。
可以利用模式識別來確定房間內的人數和他們的日常活動水準。根據這些資訊，樓宇自控系統可以優化決策，改善空調效果。暖通空調系統有了二氧化碳感測器，可以將能耗降低最多50%，這意味著整棟建築可以實現節能20~30%。普通系統採用定時模式保持恆定的空氣流通，譬如，在工作時段提供持續通風。另一方面，基於真實的二氧化碳濃度測定值來進行控制，則可以按照房間內的實際人數來調節新鮮空氣的供給。這將縮短暖通空調系統的日常工作循環，從而節省大筆開支。
此外還有許多其他應用，包括車內二氧化碳監測，以調節駕駛室或整個車內的空氣品質。在農業領域，二氧化碳感測器可用於控制溫室中的二氧化碳濃度，以提高產量和節約成本。感測器也用於醫療應用，包括Capnometry，這是一種實時測定患者呼出氣二氧化碳含量的方法，在麻醉領域特別有用。
工業領域的用例包括在諸如乾冰庫、儲罐或地下氣源等二氧化碳氣源附近，檢測二氧化碳洩漏。智慧城市可以將二氧化碳排放源與道路車輛密度聯繫起來，從而實現交通管理。
eCO2精度尚有不足NDIR感測成樓宇自控主流
如今，非色散紅外線(NDIR)感測器的應用十分普遍，特別是在樓宇自控領域。然而，這種感測器體積較大、價格昂貴，因而僅可在有限的範圍內使用。這種感測器由紅外光源、採樣腔、濾光片以及基準和吸收紅外探測器等組成，可提供真實、準確的二氧化碳測定值。但是，除單純考慮美觀之外，這種感測器並不適用於移動終端、恆溫器或起居室內的其他智慧居家裝置，主要原因是其成本高昂並且外形較大難以整合。
目前，市場上還沒有哪種與之相當的解決方案能夠既提供這樣真實且準確的二氧化碳測定值，同時又經濟實惠。儘管有所謂的eCO2感測器可以檢測多種不同的室內污染物，但其性能不足以取代NDIR感測器。eCO2感測器並不執行實際測量；它是利用演算法來計算出等效二氧化碳濃度值。這種方法假定二氧化碳濃度主要由房間內的人員造成。因此，它是根據很多假設來進行估算。所以，利用這個eCO2值，只能根據可能不太準確的資訊來調節室內空氣品質。
這將導致空調系統能耗過高或者恰恰在需要的時候卻不能正常通風。這樣一來，空氣品質得不到有效改善，用戶對使用這種eCO2感測器的產品失去信心。
基於MEMS光聲光譜二氧化碳感測器翻新設計
由於現有的eCO2感測器精準度尚有不足，故現已有廠商，如英飛凌(Infineon)得益於其在MEMS麥克風方面的豐富經驗，透過實驗成功地研發出一種基於光聲光譜(PAS)的全新二氧化碳感測器。光聲光是一種物理方法，適用於檢測混合物中的氣體成分，例如測定室內空氣中的二氧化碳濃度(圖2)。
圖2 基於光聲光譜的二氧化碳感測器示意圖
光聲光譜技術的作用原理是氣體分子僅吸收特定波長的光；二氧化碳氣體分子可吸收的光波長為4.2µm。配備光學濾光片的紅外線光源快速連續發射波長4.2µm的光脈衝，向氣體輸送能量。這使得氣體樣本迅速加熱和冷卻，進而產生熱脹冷縮。可以利用麥克風錄下由此產生的聲音，然後進行評估，並就氣體的二氧化碳含量得出結論。二氧化碳濃度越高，訊號越強。相比於NDIR-CO2感測器，使用高靈敏度MEMS麥克風作為檢測器可以大幅縮小尺寸體積。
研發挑戰
全新的二氧化碳感測器將光聲換能器、檢測器、紅外光源和光學濾光片等整合到一塊印刷電路板上。這種感測器配備了用於板載訊號處理的小型微控制器、複雜的演算法以及用於操作紅外光源的MOSFET。經調製的紅外光照射到採樣腔內的混合氣體上。其中的二氧化碳氣體吸收了紅外光後變熱，採樣腔內的氣壓隨之升高，MEMS麥克風可以測量出這樣的氣壓變化。
研發光聲光譜二氧化碳感測器遇到的主要挑戰之一，是讓麥克風的性能發揮到極致，並最大限度地降低系統雜訊，也就是說，使MEMS檢測器隔絕於外部雜訊，從而僅檢測到採樣腔內二氧化碳分子產生的氣壓變化。英飛凌先進行了MEMS麥克風響應建模，然後再製作部分元件的原型來驗證建模結果。
英飛凌推出的全新光聲光譜二氧化碳感測器，經專門設計，適用於要求自雜訊低、動態範圍寬、失真度低、聲學過載點高的應用。歸功於XENSIV IM69D130，這種氣體感測器可以測量出最輕微的氣壓波動，因此哪怕很少量的氣體亦足以準確測定氣體濃度。
這款全新感測器不僅可以進行真正的二氧化碳測量，而且比具備同等性能參數的常規二氧化碳感測器的體積縮小了75%以上。其整合式微控制器可將MEMS麥克風輸出訊號轉換為ppm值，並通過串列I2C、UART或PWM等三種介面輸出。直接輸出ppm讀數、支援表面貼合技術和簡單的設計，有利於輕鬆快速地整合到柔性生產系統中。光聲光譜二氧化碳感測器是用於樓宇自控系統中以需求為導向的通風控制，以及用於智慧居家應用中的室內空氣品質控制等的理想之選(圖3)。
圖3 XENSIV PAS CO2感測器的典型應用
(本文作者為英飛凌環境感測器產品行銷資深經理)