解密TDK革命性CO2气体传感器：材料、MEMS、算法三大技术融合
2021-02-07 08:25:57 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
TDK革命性的超低功耗MEMS气体传感器能够在家庭、汽车、物联网（IoT）、医疗保健以及其它应用领域，直接且准确地检测二氧化碳（CO2）气体。针对该主题，近日TDK InvenSense新兴业务部门高级总监Sreeni Rao博士为大家进行了详细介绍。
微访谈：InvenSense新兴业务部门高级总监Sreeni Rao博士
TDK革命性的超低功耗MEMS气体传感器能够在家庭、汽车、物联网（IoT）、医疗保健以及其它应用领域，直接且准确地检测二氧化碳（CO2）气体。针对该主题，近日TDK InvenSense新兴业务部门高级总监Sreeni Rao博士为大家进行了详细介绍。
Sreeni Rao博士
据麦姆斯咨询报道，TDK于2021年1月发布了革命性的产品：InvenSense TCE-11101，这是一款超低功耗MEMS气体传感器，可直接、准确地检测CO2。该器件引入了新技术，作为新SmartEnviro系列的一部分，其小尺寸、低功耗的设计理念，适用于所有形态的电池驱动型消费类和商业类设备。TCE-11101采用5mm x 5mm x 1mm的28引脚LGA封装，并且仅需最少的外部组件来完成系统设计。
TDK革命性CO2气体传感器：InvenSense TCE-11101
TCE-11101独特地将材料开发与MEMS工艺相结合，同时还集成了人工智能（AI）与机器学习（ML）能力，提供比传统传感器体积小几个数量级的解决方案。此外，该器件的功耗不到1 mW。在各类新兴及现有应用中，该器件显著扩展了CO2检测的应用案例，而“eCO2”解决方案由于性能不佳目前还无法使用。（目前，气体传感器普遍使用体积庞大、功耗较高且价格昂贵的光学技术，或本质上测量不精准的“eCO2”方法。）
为了更好地了解这款新型MEMS气体传感器，以及它对设计工程师的价值，EE Evaluation Engineering（以下简称：EE）对TDK集团InvenSense新兴业务部门的高级总监Sreeni Rao博士进行了采访。
EE：请您为我们介绍新款CO2气体传感器系列产品，该系列产品是基于MEMS工艺技术吗？
Sreeni Rao：是的。SmartEnviro新系列预计将涵盖我们在气体传感及普通环境传感领域的MEMS传感器。我们推出的第一款产品就是基于MEMS的CO2气体传感器。这款传感器的特别之处在于采用了超低功耗、极小尺寸的解决方案，而且由于我们采用了可量产的MEMS工艺，因此该器件有望在成本上也具备相当的竞争力。该器件所提供的性能优势是其它具备成本和功耗优势的解决方案所无法比拟的。
EE：目前，CO2传感其实还有很大的应用空间，从住宅监测，到发酵工艺管理，再到农业传感，请您详细为我们介绍一下！
Sreeni Rao：的确是这样。而且CO2传感的应用领域是非常分散的。显然，您提到的所有应用MEMS传感器均适用，但是仅有部分应用是亟需MEMS传感器，这是因为这类应用需要在功耗、器件占用空间以及成本等方面都具备竞争力的解决方案。
举例说明：如果是在安全环境中的工业应用，其中部署的传感器数量非常少，那么器件成本可能并不是主要的考量因素。同时，在器件数量很少的情况下，可以使用有线电源，功耗可能也就不是问题。
但迄今为止，目前的解决方案其实限制了CO2传感应用的可用性，如果存在这样性能良好的解决方案（即低功耗、低成本、小体积、易于部署以及具备数字接口等），那么CO2传感的应用领域将更为广阔。因此TDK所做的正是填补这一空白，如果您有需要，我们能够提供具有上述所有优势的解决方案。
InvenSense TCE-11101的优势
EE：目前CO2传感的应用领域如此分散，并且应用方案很多，那么请您介绍贵司最初的目标应用领域有哪些？
Sreeni Rao：CO2传感最合理、最直观的应用就是室内空气质量管理或室内空气质量监测。无论是在家里、公寓，还是在托儿所、学校或办公楼，监测CO2浓度都非常重要，这是因为，任何生活空间中的CO2浓度上升都会导致身体出现不健康状态，而且还会产生其它影响。例如在办公室环境中，CO2浓度上升会降低工作效率，这是由于人的注意力持续时间（attention span）会随着CO2浓度的提升而下降。因此监测CO2的浓度很重要，这样可以提醒我们采取相应的改善措施，如开窗通风。
因此目前来看，以上这些应用需求最为突出。还要指出的一点是，随着人们对新冠病毒肺炎（COVID-19）感染等问题的重视程度的不断提升。我们有理由相信，CO2浓度高的环境也可能导致其它健康问题。所以，我认为监测环境的气体水平变得更加重要，而CO2似乎是其中最大的目标之一。
EE：我们提到CO2传感农业应用的原因之一是我们有幸了解到欧洲FACE项目，这是一项重要的农业项目，他们在葡萄园中配备了CO2储罐。研究人员将CO2通入葡萄园中，以便观察当CO2浓度增加10%到15%时，20年间葡萄酒的质量会发生怎样的变化。因此，该项目需要传感器来确定其中的CO2含量，使研究结果更为精确。当然，肯定还有很多这样的应用需求，如某个过程监测或是研究项目、亦或是某个以前因尺寸或功耗问题无法安装传感器的地方。
Sreeni Rao：的确。您刚才提到的最后一点是我们认为最重要的因素，正如您之前给出的用例。例如在农业场景中，我们需要监测从储罐输出的CO2浓度或实验中的CO2浓度。如今，我们的新型CO2解决方案可以完美地解决这些问题。目前市场上并非没有CO2传感器，而是现有的传感器大多笨重、体积大、功耗高且价格昂贵。
传统气体传感器的劣势
过去数十年中，业界一直使用这样的传统气体传感器。它们通常基于光学技术，会占用较大的空间，以便使光信号得到相应的转换。因此，它们可以用于像您提到的这些应用，在这些用例中，气体传感器的使用量非常少，且对成本不那么敏感。
EE：学术界其实对成本非常敏感。表面上看，目前存在很多应用，你可能会想，“哦，它可以使用，但未必需要……”但对于更优质的CO2传感器来说，其内在需求可能在很大程度上被抑制了。正如您所说，气体测量在很多领域都较为成熟；但也正如您所说，许多解决方案很笨重，并不一定是最佳的。
Sreeni Rao：这正是我们在市场调查中发现的实际情况。我们认为，该市场已经成熟，是时候通过新的解决方案来打破这种局面；这种解决方案做到了尽可能最佳且智能的权衡，并非传统那种笨重、高功耗的解决方案。
另一方面，我前面曾提到，如今有了基于MEMS的解决方案，能够解决光学方案的功耗和尺寸问题，不仅如此，这些解决方案本质上基于的原理可能不准确，或是容易不准确、不精确。因此，我们在提出利用MEMS实现这项新技术时，实际上已经在两者之间找到了最佳且最智能的折中方案。
EE：贵司是否从测试客户那里获得关于产品的反馈？请与我们分享一下客户的反馈结果。
Sreeni Rao：其实客户的普遍反馈是，像我们这样的解决方案可以打开的市场将非常巨大。因此，大多数客户都乐于看到我们能够提供一款基于MEMS的微型化、可量产且性能良好的CO2传感器。关键在于，采用这样的解决方案，CO2传感可以发挥的应用空间更加广阔。这就是我们将做出重大改变的地方，我们可以利用评估工具来帮助工程师解决这些新应用所面临的问题。
图为TCE-11101子板评估套件和MEMS传感器融合开发平台SmartMotion™，气体传感器评估板可以帮助工程师创建应用解决方案
EE：CO2传感具有非常广阔的应用空间，并且有很多监测方法，您认为提升传感器的可用性能否带来新的应用?
Sreeni Rao：当然会。所以即使存在现有的解决方案，大家也一直在尝试监测CO2和其它气体的新解决方案。例如，食品安全也是气体传感的一种应用。新鲜的食物与不新鲜的食物（如腐烂的食物或者发生其它变化的食物）相比较，所排放的气体种类差异很大。
因此，为了能够监控食品供应链的新鲜度，并确保诸如沙门氏菌中毒或其它食物中毒事件不会发生，恰当地使用并部署气体传感器，可以解决或避免这样的问题，至少对类似情况引起足够注意。因此，气体传感器也可能成为食品供应链的重要组成部分。迄今为止，该应用还未被充分挖掘，这是因为还未出现能够兼具微型化、低成本和低功耗的合适解决方案。
EE：目前，运输新冠病毒疫苗都是包装在干冰（固态CO2）中的。其中应该安装了某种温度传感器，如果安装CO2传感器可能也会有用，可以监测到干冰是否都升华完了。
Sreeni Rao：确实，利用CO2传感器可以确保运输途中有足够的干冰维持低温环境。CO2是无形杀手，人们根本闻不到它，因此人们无法通过感知环境中的CO2浓度来做出任何该有措施。所以，监控运输途中是否存在CO2泄漏也非常重要。我觉得这很有道理。
在炎热的天气里人们会钻进车里打开空调，目前大部分汽车空调使用的是氢氟碳化物（HFCs）。事实证明，大多数的氢氟碳化物对环境是有害的。如果CO2被用作冷却剂或冷冻介质，它对环境的危害要比其它气体（如氢氟碳化物）小得多。因此很多新车型正在欧洲、中国和日本上市，其它地方也开始改用CO2作为冷却液或冷却介质，抛弃了氢氟碳化物。
因此大家可以想象一下，当使用CO2时（与氢氟碳化物不同，氢氟碳化物即使在空气中的浓度很低也可能对人体造成伤害），CO2虽然不会伤害人体健康，但会使车内的人昏昏欲睡。如果汽车发生了CO2泄露，会造成驾驶员昏昏欲睡，并可能导致严重的交通事故。因此在汽车追踪系统中实时监测CO2泄漏情况就变得非常重要。这是我们在汽车领域了解到的应用，非常接近您刚才提到的情况——气体泄漏监测。
EE：正如您所讲到的，目前存在一些传统解决方案，但还是有很多应用可能存在危险的CO2积累，大家并没有考虑到。比如在大棚种植中，尝试用覆盖物来实现保温，可能就没有考虑覆盖物中的气体排出……许多大家没有考虑到情况中都可能存在应用空间。如果现在出现一款价格便宜、小巧、精确的气体传感器，就能拓展出更多的应用。
Sreeni Rao：没错，这也是我们所认为的产业发展方向。大棚气体监测也是在很长一段时间都没有启用的应用，就是因为没有合适的解决方案。TDK之所以能够实现这一目标，就是因其特别之处。例如，加速度计和陀螺仪是利用MEMS技术与特定算法相结合的重要传感器，而气体传感器不仅仅需要MEMS技术，还需要材料技术。因为归根结底，气体传感必须通过与某些材料产生某种程度的相互作用才能实现。
这些材料可能是惰性物质，也可能是化合物质，还可能是金属氧化物。因此，实现气体与材料之间的相互作用，再利用MEMS技术，才能使之成为优秀的气体传感器，然后再将其转换成数据，就可以进行处理和计算了。因此，为了制造真正具备竞争力、性能优秀的气体传感器，需要将这三部分结合起来——优秀的材料专业知识、MEMS专业知识以及算法专业知识。
革命性气体传感器所需的三大技术
TDK本质上其实是一家材料公司，TDK是从磁性材料起家的。
EE：这让我马上想到了Nakamichi卡带和TDK金属磁带。
Sreeni Rao：因此，材料科学是我们公司的核心技术。随着像InvenSense这样的公司成为TDK家族的一部分，我们就同时拥有卓越的MEMS技术和材料专业知识，再将他们与算法完美地结合在一起，就能制造出性能极佳且差异化的气体传感器。
EE：最后，请与大家分享您对气体传感器或者CO2传感器的见解。
Sreeni Rao：我想补充一点，正如最开始提到的那样，气体传感是非常分散的市场，因为应用空间很小，但应用领域却很多。
但除此之外，我们还必须了解，需要根据气体类型进行监测的气体传感也是非常分散的市场。CO2只是众多重要气体中的一员。在如今的时代，在我们最关心的诸多领域，CO2只是恰好成为了重要目标之一，但其实还有许多其它有害的气体需要得到监控。
比如甲烷。众所周知，美国大多数地下室都是利用燃气加热器来实现供暖，燃气就是甲烷与其它气体的混合物。因此，监测甲烷泄漏也很重要。只要使用燃气灶，就会有气体物质蓄积；新家具和新地毯通常也会释放甲醛，甲醛是一种致癌气体。
因此，我认为监测生活中的其它气体也很重要。CO2如此受到关注的原因，可能恰好是重要目标之一，也是最难防范的气体之一。CO2属于化学性质不活泼的气体，不会与任何其它气体发生反应，以至于无法明确地感知其存在。总体来说，气体传感市场对于MEMS传感器开发商和对其感兴趣的人们来说是一个巨大的机遇，利用合适的解决方案，可将我们前面提到的三项技术（材料、MEMS、算法）结合起来，将气体传感带入更广阔的大众视野。
延伸阅读：
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