在空氣品質監測設計中整合氣體感測器時的關鍵要素

空氣品質監測正處於非常關鍵的時刻。傳統的解決方案大部分都是政府贊助的監測站，既龐大又昂貴，而且分析的空氣樣本通常也很有限。與此同時，住家和工業空氣監測系統長期使用現有的氣體感測技術來監測環境品質和偵測漏氣。

不過，這些氣體感測器的覆蓋區相對較大，通常會耗用許多電力。此外，這些氣體感測器還缺乏升級所需的處理能力、連接性和安全性，無法執行自我診斷與報告常式，而這些對於現代物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 應用可是非常重要。

為了解決這些問題，Cypress Semiconductor、Gas Sensing Solutions、IDT、Renesas 和 Sensirion 等廠商紛紛推出高度整合且極具靈活性的氣體感測器解決方案。這些產品帶來更高的整合度、處理能力、安全性與連接性，並有望提高測量的準確性，可偵測住家、大樓、汽車、醫院和工廠的環境變化。

本文將以一些最新推出的產品為例，介紹其如何透過預校正設計與預編譯韌體來解決設計人員的需求。此外，還會介紹如何在公版設計和硬體套件的協助下，利用校正和記憶體功能實現不同的感測器配置。

IoT 氣體感測器的關鍵特性

微機電系統 (MEMS) 的進步，已成為小型低成本氣體感測器的重要推手。隨著 MEMS 技術的改進，感測器也變得更加準確和可靠。除了快速回應時間外，這些關鍵特性也決定了氣體感測器監測環境的能力。

但是，雖然底層氣體感測技術非常重要，但這並不是決定感測器效能的唯一因素。而校正能力的提升則能讓設計人員在氣體類型、濃度範圍和成本方面有更多選擇。在校正功能之外，韌體的改善也有助設計人員快速將氣體感測器整合到各種 IoT 應用中。

另外，位於單一晶片上的氣體感測器，可使用帶預編譯韌體的預校正感測元件快速整合到空氣品質監測 IoT 設計中。這些緊湊型感測器採用氣體進行電氣校正，確保批次之間保持一致。此外，感測器元件內建的非揮發性記憶體 (NVM) 會儲存配置及其他資料。

除了預校正之外，預編譯韌體進一步增強了整合度和準確性，同時大幅降低了氣體感測器的功耗。預編譯韌體還可簡化整體開發工作，讓設計人員無需更改硬體便能新增感測能力，並在部署後進行系統更新。

預校正的氣體感測器

以 IDT 的 ZMOD4510IA1R 氣體感測器模組為例。此模組可測量低至 20 ppb 的濃度，其已經過最佳化，可偵測微量大氣氣體，如氧化氮 (NOx) 和臭氧 (O₃) 等。而這些氣體是導致戶外空氣品質不健康的兩個主要原因。這款數位氣體感測器可根據美國環保署 (EPA) 的空氣品質指數 (AQI) 來監測戶外的空氣品質。感測器模組尺寸為 3.0 mm x 3.0 mm x 0.7 mm，內含氣體感測元件和訊號調整 IC (圖 1)。

圖 1：ZMOD4510IA1R 氣體感測器模組採用演算法來計算戶外氣體的濃度。(圖片來源：IDT)

在 ZMOD4510IA1R 中，感測元件由矽基 MEMS 結構的加熱元件以及金屬氧化物 (MOx) 化學電阻組成。訊號調整 IC 可控制感測器的溫度，並測量 MOx 導電率；此導電率會隨著氣體濃度而變化。

除了校正功能外，ZMOD4510IA1R 還採用經過證實的 MOx 材料，具有良好的矽氧烷耐抗性，能可靠用於嚴苛的環境中。為了更快進行原型製作和開發，IDT 推出 ZMOD4510-EVK-HC 氣體感測器評估套件為該氣體感測器模組提供支援，使其能透過雙向 USB 連線至 Windows^® PC 進行測試和評估。此評估套件設有以微控制器為基礎的模組，可控制 I²C 通訊介面，顯示所測量的臭氧輸出量和氧化氮輸出量 (圖 2)。

圖 2：ZMOD4510-EVK 可讓設計人員透過內建的評估軟體，快速評估 ZMOD4510 氣體感測器。(圖片來源：Digi-Key Electronics)

另外，IDT 的 HS300x 系列濕度與溫度感測器還採用整合式校正與溫度補償邏輯，可透過標準的 I²C 輸出提供完全經過校正的相對濕度 (RH) 與溫度值。相對濕度是指給定溫度下水汽分壓與平衡水汽壓之比。

使用者不需校正輸出資料，所測量的資料會在內部進行校正與補償，從而在寬廣的溫度與濕度範圍內實現準確作業。HS3001、HS3002、HS3003 和 HS3004 MEMS 感測器的尺寸都是 3 x 2.41 x 0.8 mm，只是在相對濕度和溫度的測量準確度方面有所不同。

雲端型空氣監測

設計人員可使用氣體感測器來記錄空氣品質，其方式既可以是在本地處理資料，也可以是透過 IP 連線的雲端型平台隨時間推移產生深入的洞見。其中，硬體套件可促進安全的雲端連線以及透過儀表板來監測控制。

例如，Renesas 的 YSAECLOUD2 AE-Cloud2 套件，是一個以該公司的 Synergy S5D9 微控制器為中心所構建的公版設計。此套件可讓開發人員透過 Wi-Fi、蜂巢及其他通訊通道，將 ZMOD4510IA1R 氣體感測器和 HS3001 濕度感測器等元件連線至雲端服務。此外，這款 IoT 套件還可讓開發人員在儀表板上以視覺化方式即時呈現感測器資料。

若需要使用雲端型平台來監測室內外空氣品質，開發人員有許多替代選擇。Digi-Key 自行開發出下一代智慧型空氣品質監測

雲端氣體感測器平台，整合了 Cypress Semiconductor 的 PSoC 6 微控制器和 Sensirion 的氣體與灰塵感測器 (圖 3)。這些 PSoC 6 微控制器提供可編程的周邊裝置，可與任何 Sensirion 感測器進行介接。

圖 3：此圖顯示智慧住家和大樓的空氣品質監測設計。此設計可透過 Wi-Fi 連結將資料傳送到雲端並顯示於儀表板上。(圖片來源：Digi-Key Electronics)

請務必注意，大多數監測空氣品質的 IoT 節點 (不論室內和室外)，往往都是以電池供電，因而面臨能源限制。對於這些應用，PSoC 6 因其功耗較低而延長電池續航力。此控制器以雙核心 Arm® Cortex®-M 架構為基礎，該架構則是採用 40 nm 製程技術打造而成。M4 核心的有功功率為 22 μA/MHz，M0+ 核心的有功功率則為 15 μA/MHz。此外，這款微控制器還支援氣體感測器的安全開機、安全韌體更新及硬體加速加密技術，非常適合一直注重資料安全性及使用者隱私的智慧住家和工業環境。

PSoC 6 微控制器搭配 Sensirion 的氣體感測解決方案一起使用，可建立空氣淨化、按需控制的通風以及其他室外空氣品質監測應用。連線的監測元件可透過快速回應環境回饋來精確地控制環境。

以 Sensirion 的 SGP30 氣體感測器為例。此產品在單個晶片上整合多個金屬氧化物感測元素 (或稱像素)，可測量總揮發性有機物 (TVOC) 以及 CO₂ 當量訊號 (CO_2eq)。VOC 來自於新產品以及地毯、傢俱、油漆和溶劑等建築材料；tVOC 則是指空氣中的 VOC 總濃度，可用於快速評估室內的空氣品質。

SGP30 採用小型封裝，尺寸僅為 2.45 x 2.45 x 0.9 mm，並能以常用薄膜測量 tVOC 和 CO_2eq。此外，不像傳統氣體感測器在使用幾個月後，就會因為矽氧烷這個化合物而失去穩定性與準確度，這款多氣體感測器中的感測元件可以抵抗這種污染。此功能可降低漂移度，確保長期的穩定性。

SGP30 氣體感測器中的感測元件由 MOx 奈米粒子加熱薄膜製成。另外，Sensirion 還在晶片內嵌入其他感測器元件 (加熱器和電極)，以縮小感測器的覆蓋區 (圖 4)。

圖 4：SGP30 多氣體感測器在單晶片上整合四個感測元件 (又稱像素)，此晶片包含溫控微型板與 I²C 介面。(圖片來源：Sensirion)

為了進一步提升整合度，Sensirion 將 SGP30 氣體感測器與 SHTC1 濕度和溫度感測器整合在一起，建立了感測器組合模組 SVM30。除了多個感測元素以外，此模組還包含類比與數位訊號處理元件、類比數位轉換器 (ADC)、校正與資料記憶體以及支援 I²C 標準模式的數位通訊介面。

氣體感測速度

在呼吸分析及其他即時空氣監測應用中，感測速度是測量快速變化的 CO₂ 含量所面臨的另一大難題。氣體感測器需要大幅提高取樣率，特別是以電池供電的室內空氣品質感測器。

Gas Sensing Solutions 在銻化銦 LED 技術和光學設計的基礎上開發出 SprintIR-WF-20 氣體感測器。因此，這款感測器沒有移動零件 (MEMS) 和加熱燈絲 (圖 5)。此產品每秒可擷取 20 個讀數，並可選配流通配接器。此外，SprintIR-WF-20 具有三個 CO₂ 濃度測量範圍，分別是 0 至 5%、0 至 20%，以及 0 至 100%。其準確度為 ±70 ppm (讀數的 +5%)。

圖 5：SprintIR-WF-20 CO₂ 感測器提供能支援流通或擴散結構的選項。(圖片來源：Digi-Key Electronics)

此感測器可透過簡單的 UART 介面與多種無線 IoT 網路通訊，如 Zigbee、LoRaWAN、Sigfox 和 EnOcean 等。在 35 mW 下，SprintIR-WF-20 需要的功率要遠低於典型的非分散式紅外線 (NDIR) CO₂ 感測器；電壓範圍為 3.25 V 至 5.5 V，平均電流消耗量低於 15 mA (峰值為 100 mA)。這些數字讓 SprintIR-WF-20 適用於以電池供電的元件，如穿戴式裝置等。新的韌體變更則進一步延長電池續航力，並提高 CO₂ 感測準確度。

此氣體感測器隨附有評估套件 EVKITSWF-20，因此設計人員只需透過 USB 隨身碟將 CO₂ 感測器連接到電腦，即可開始記錄感測器資料。USB 隨身碟中含有自行安裝的評估軟體。值得一提的是，雖然自動校正可用於大多數的空氣品質監測應用，但此評估套件允許開發人員針對特定的環境進行零校正。

結論

在為 IoT 和 IIoT 裝置及系統設計氣體感測元件時，設計人員正逐漸擯棄傳統的大型獨立設計。為此，他們尋找的氣體感測解決方案需要滿足以下條件：既能改善準確度、可靠性、回應時間，降低成本和功耗，又能充分利用 IoT 和雲端型資料收集與分析平台能力。同時，還需要考慮其他的核心功能，包括介面設計、感測速度與濃度範圍等。

如本文所述，目前市面上有許多解決方案，不僅能滿足設計人員的需求，還能讓這些強化的感測能力，更輕鬆地整合到小型尺寸中，而小巧是電池供電式元件不可或缺的條件。此外，這些解決方案還提供校正能力和可更新的韌體，而這些功能對於高效配置 (和重新配置) 空氣品質監測設計來說十分重要。藉由使用這些氣體感測器，再配合雲端連線，設計人員可在軟硬體生態系統的大力支援下，致力於滿足目前與未來的 IoT 和 IIoT 設計需求。