空气质量传感器:重新定义环境感应

一直普遍需要能够处理各种物理现象的电子传感器,例如光,压力,声音,当然还有温度(最广泛感测的参数)。好消息是,在为这些测量中的许多测量提供高性能,低成本,易于使用的传感器方面取得了重大进展,并且通常基于微机电系统(MEMS)技术。例如,位置和运动的感知 - 两个密切相关的物理属性传统上是最具挑战性的测量 - 现在几乎是微不足道的,因为微型硅基加速度计和陀螺仪的广泛应用,广泛用于无人机导航并为了汽车安全。
尽管如此,一个传感领域长期以来一直未能开发出高性能,低成本,低功耗的传感器:蒸汽和气体(气味)传感。我们距离一种敏感的,通用的气味嗅探能力还有很长的路要走,相当于比格犬甚至是人类的鼻子。气体,挥发性有机化合物(VOC)甚至湿度传感器的开发尤其具有挑战性,它们比温度传感器更难以使用,校准和集成。此外,每个气体传感器通常具有不同的模拟输出格式,包括缩放,电压与电流,时序和其他变化(图1)。
传感器的模拟接口

图1:传感器通常使用不同的模拟接口,包括三线电压,四线电压和两线4mA至20mA电流输出。集成一组不同的传感器可能成为模拟输入/输出(I / O)的挑战。(来源:TE)
当需要在单个位置测量多个不同的变量时,问题会更加严重。简单而成功地与各种可用的传感解决方案连接,需要限制传感器选择,添加适配器电路以产生单一输出格式,或与多种输出格式连接。
然而,在过去的十年中,由于MEMS和相关半导体从根本上改变了这种状况并为特定气体提供低功耗,低成本的传感器,因此取得了重大进展。然而,这些进步始于针对气囊触发的特定应用冲击和压力传感器,而不是气体传感器。这项研究,开发和商业化为MEMS传感器在压力,VOC和二氧化碳(CO 2)方面的进展开辟了道路。结果创造了基于微芯片的设备的广泛可用性,用于气体和液体的基本传感以及校准,附加集成功能和更多嵌入式功能。

趋势:单点,多因素感知

由于传感器在其基本性能,互连的容易性,成本和功率要求方面已经取得了进步,因此存在在每个位置感测多个参数的相应趋势。这与先前的架构不同,在先前的架构中,仅在一个位置处感测和测量温度(并且可能是湿度),并且例如在另一个位置处感测到VOC和CO 2。使用更新的传感器,将每个站点的全套传感器与单路径(有线或无线)连接集成在一起是可行的。
这样做适用于需要跨多个参数的传感器数据的各种应用。这些包括照明控制,楼宇自动化,安全,运动和存在感应,智能家居,联网住宅,空气质量监测和能源管理。此外,通过将所需的全部传感器组合到一个设备中,系统设计人员,他们的项目甚至最终用户都可以从缩短产品上市时间,减少设计“惊喜”和降低安装成本中受益,因为设计师不再需要处理单个传感器和接口(除非他们需要或想要这样做)。这使得能够在工业,商业,机构和住宅环境中低成本,方便地放置多功能环境传感器节点。 
利用这种新的多感官机会,供应商开发了小型电路板和模块,提供一系列常用的传感功能,作为这些应用的完整,高度集成,校准和易用的解决方案。两个产品展示了多个物理变量(包括基于气体的变量)的综合传感变化如何极大地简化了挑战并开辟了新的机遇。这些包括:

TE Con​​nectivity AmbiMate传感器模块MS4系列

TE Con​​nectivity的这个单元针对现场固定安装,例如建筑物,并且封装在尺寸仅为16mm×30mm的PC板上(图2)。TE Con​​nectivity的AmbiMate传感器模块MS4系列可通过被动红外(PIR)探测器,光线,温度和湿度,探测众所周知的环境和存在运动参数。它还提供可选的基于麦克风的声音检测,用于环境空气质量和危险条件的VOC传感以及CO 2传感(图3)。
AmbiMate传感器模块

图2: TE Con​​nectivity的AmbiMate传感器模块是一种用于固定安装的小型PC板。(来源:Mouser)
AmbiMate传感器模块

图3: AmbiMate传感器模块板安装在用户提供的外壳中。板上包括(1)温度传感器; (2)相对湿度; (3)动议; (4)环境光; (5)音频麦克风(可选); (6)VOCs(可选); (7)CO2(可选)。(来源:Mouser)
所述AmbiMate传感器模块从一个单一的3.3VDC电源供电(其标称,具有3.1V的最小),并且需要只是10毫安(或33毫安与VOC / CO 2感测选项),用于低耗散,高可靠性,并且从长的工作寿命一个本地电池。温度读数的准确度在5°C至50°C时为±0.3°C,而湿度读数在5%至95%相对湿度(RH)范围内的准确度为2%。温度和湿度传感器都具有1s更新率。
对于气体传感功能,该装置可处理浓度为0至1,187十亿分之一(ppb)的VOC,CO 2读数为400至8,192(百万分之一)(ppm)。两种与气体相关的读数都有60秒的采​​集周期。
该模块可以通过其100kbaud内部集成电路(I 2 C)接口随时查询,还包括一个用于运动和声级检测的中断驱动事件引脚,响应时间低于0.5s。在100Hz至10kHz的频率范围内,音频报警输出的灵敏度介于-25dBV和-19dBV之间。

博世Sensortec BME680集成环境传感器

与AmbiMate模块,博世Sensortec BME680集成环境传感器相比
该单元将高线性度和高精度气体,压力,湿度和温度传感器集成在专为移动应用和可穿戴设备开发的封装中。微小的金属盖网格阵列(LGA)外壳尺寸为3mm×3mm,高度仅为0.95mm(图4)。为了简化与不同处理器配置的接口,它支持一种I 2 C和两种串行外设接口(SPI)I / O格式(图5)。
博世Sensortec BME680

图4:用于移动和可穿戴设备的Bosch Sensortec BME680集成环境传感器是一种几乎看不见的3mm×3mm金属盖设备,但它在机箱内包含一系列传感器,校准和I / O功能。(来源:博世)
博世Sensortec BME680

图5:为了促进BME680与其主处理器之间的连接,该单元包括三种常用的低功耗选项,它们是:(a)I2C接口; (b)四线SPI; (c)三线SPI。(来源:Mouser)
BME680非常适用于检测油漆,清漆,脱漆剂,办公设备,胶水,粘合剂和酒精中的VOC。它包括嵌入式校准,除乙醇外,传感器还测试呼出的人体呼吸中的VOC和重要化合物(表1)。
表1: BME680的详细数据表包括在检测最常见的VOC时的容差和准确度表。(来源:博世)
摩尔分数 复合 生产能力 认证准确性
5ppm的 乙烷 20% 5%
10ppm的 异戊二烯(又名2-甲基-1,3丁二烯) 20% 5%
10ppm的 乙醇 20% 5%
50PPM 丙酮 20% 5%
15ppm的 一氧化碳 10% 2%
BME680的气体传感功能展示了这款微型设备中嵌入的集成度和复杂程度。此功能包括两个步骤:
  1. 将整体的气体传感器热板加热至目标温度,通常在200℃至400℃之间,并持续所需的时间段。
  2. 测量传感器的气敏层的电阻,然后将该电阻值映射到VOC浓度的相应值。
在开发此设备时,我们尽一切努力将功耗降至最低 - 这是移动和可穿戴应用的关键参数。因此,该器件采用1.71V至3.6V电源供电。每个传感器的电流要求为单位数微安范围(1Hz更新速率),有源气体传感器模式增加至约12mA; 在超低功耗模式下,静态电流低于0.1mA,在睡眠模式下低于0.15μA。

结论

原始设备制造商(OEM)不再需要识别,购买,机械和电气集成,以及编码来自不同来源的多个传感器。高度集成的MEMS和半导体器件可在单个微小的低功耗封装中为不同的物理变量放置多个传感器。由于这些技术的进步,甚至在很大程度上克服了感应VOC和CO 2的挑战。传感器和系统性能得到保证并且已知(因为这些设备具有详细的规格),电路接口大大简化,并且通过软件驱动程序和工具简化了系统集成。

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