De markt voor gassensoren breidt zich snel uit, gedreven door toenemende zorgen over de kwaliteit van de binnenlucht en betere technologie om deze te detecteren en te meten.

De detectie van de luchtkwaliteit binnenshuis richt zich op gassen en concentraties die van buiten verschillen - met enige overlap -. Maar tot de pandemie, die grotendeels samenviel met een stortvloed aan nieuw onderzoek naar wat giftig is voor mens en dier, was dit een relatief rustige markt. Dat verandert nu grote, onhandige systemen worden vervangen door veel kleinere, goedkopere en nauwkeurigere sensoren en modules.

De uitdaging waar systeemontwerpers nu voor staan, is begrijpen welke sensor voldoen aan welke normen en wat er daadwerkelijk beschikbaar is met voldoende kwantiteit en kwaliteit om nauwkeurige resultaten te bereiken.

"Ik hoef je niet te vertellen dat koolmonoxide dodelijk is", zegt Sreeni Rao, senior director bij TDK's Gas and Environmental Sensing-producten en -activiteiten, die werkt aan SEMI-normen voor gassensoren. "Maar er zijn tal van andere gassen die een persoon kunnen doden als ze niet op de juiste manier worden gehanteerd of geventileerd. Kooldioxide kan een persoon in een kamer doden in concentraties tot wel 50,000 ppm.”

Het goede nieuws is dat het aantal sensoren snel toeneemt. Gassensoren beginnen bijvoorbeeld op smartphones te verschijnen. Maar hoewel er tal van normen zijn, zijn ze ook in beweging, dus weten welke normen moeten worden gevolgd en vervolgens de sensor/module laten certificeren door een betrouwbaar extern laboratorium, zijn essentiële ingrediënten voor een sensorontwerp.

Volgens een recent onderzoek uitgevoerd door SEMI's MEMS and Sensors Industry Group (MSIG) is er geen one size fits all voor het monitoren van de luchtkwaliteit. "Verontreinigende stoffen voor binnen en buiten zijn verschillend, en bepaalde technologieën kunnen beter zijn dan andere bij detectie", aldus een paper geschreven door Radislav Potyrailo, hoofdwetenschapper bij GE Research en voorzitter van MSIG's Device Working Group; Ryotaro Sakauchi, senior manager bij Robert Bosch LLC, verantwoordelijk voor de zakelijke ontwikkeling van Bosch Sensortec's MEMS-sensoren op de consumentenmarkt; TDK's Rao; en Christian Meyer, senior productmarketingmanager bij Renesas, gespecialiseerd in gassensoren.

Omvangrijke en dure gasdetectie- en luchtkwaliteitssystemen die door overheidsinstanties zijn goedgekeurd voor officiële monitoring van de luchtkwaliteit, worden niet vervangen. Maar ze worden aangevuld met kleinere en minder energieverslindende versies, die metingen van de luchtkwaliteit democratiseren en microlokaliseren.

Een van de problemen voor sensor- en systeemontwerpers, samen met consumenten, is het doorzoeken van een overvloed aan luchtkwaliteitsnormen. Sommige van die normen worden nog steeds opgesteld en bijgewerkt, gebaseerd op nieuwe wetenschap over wat als ongezond wordt beschouwd. Het is dus belangrijk om te certificeren dat een systeem gebaseerd is op een echte norm, of op een reeks normen. Bovendien moeten deze apparaten doorlopend worden gekalibreerd en moeten de algoritmen die de gegevens "interpreteren" worden bijgewerkt.

Normen kunnen per regio verschillen. Elk land stelt zijn eigen normen voor de kwaliteit van de binnenlucht (IAQ), en sommige normen worden vastgesteld door bouw- en gezondheids-/veiligheidsorganisaties. Dus in plaats van de normen van de overheid en de bouwsector te volgen, definiëren sommige sensorfabrikanten hun eigen regels, volgens Christian Meyer, senior productmarketingmanager bij Renesas die gespecialiseerd is in gassensoren.

Nieuwe normen op basis van studies vinden uit wat mensen in een binnenomgeving beïnvloedt. Die normen evolueren naarmate de hoeveelheid gegevens die uit gezondheidsonderzoeken wordt verzameld, wordt geïntegreerd in het ontwerpproces.

Drie belangrijke op wetenschap gebaseerde normen voor binnenluchtkwaliteit (IAQ) zijn afkomstig van UBA, WELL en RESET.

• UBA: Dit zijn normen van het Umweltbundesamt (UBA), de Duitse federale milieudienst, die een reeks aanbevelingen voor particuliere woningen bieden.
• WELL: Dit is een norm voor de bouwsector van het International WELL Building Institute, gevestigd in de VS
• RESET: Beheerd door GIGA, maar gestart door GIGA's in Shanghai gevestigde team in 2013, de groep heeft zijn hoofdkantoor in Québec, Canada, met kantoren in de VS en China. RESET wordt voornamelijk in Azië gebruikt.

Deze drie IAQ-normen zijn opgesteld door de Wereldgezondheidsorganisatie en andere normen. De binnenluchtkwaliteit in openbare ruimtes, waaronder kantoren en fabrieken, is gereguleerd, maar de binnenluchtkwaliteit in woningen is dat vaak niet. Voor het grootste deel kun je iemand niet dwingen om een ​​koolmonoxidesensor in een privéwoning te installeren, hoewel er voorschriften kunnen zijn in bouwvoorschriften voor inspecties van nieuwbouw of verbouwing.

"Er zijn veel andere standaarden", zegt Meyers van Renesas. “ASTM heeft bijvoorbeeld een standaard. SEMI heeft een standaard. UL heeft een standaard. Er zijn dus veel andere standaarden met andere accenten en andere aandachtspunten.”

Het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) controleert de buitenlucht en kijkt naar de niveaus van vier gassen: ozon (O₃), NEE₂, SO₂, en CO - en deeltjesconcentraties in de lucht met behulp van EPA-goedgekeurde instrumenten om een ​​Air Quality Index (AQI)-nummer te krijgen.

Binnenlucht
Gasdetectietechnologie kan worden onderverdeeld in twee kampen, degenen die fysische methoden gebruiken en degenen die fysisch-chemische methoden gebruiken. Fysische methoden zijn akoestisch, thermisch, optisch, scheidingen en elektronica. Fysisch-chemisch zijn elektrochemisch, ioniserend en chemisch-resistent. De IAQ-sensoren detecteren een aantal verschillende verbindingen van de buitensensoren. Totaal vluchtige organische stoffen (TVOS) kunnen naast CO uit meubels, verf en tapijt ontsnappen₂ en CO. Ozon (O₃) en nee_x opsporing zijn inbegrepen.

Afb. 1: Gasmeettechnologieën vallen onder fysische of fysisch-chemische methoden. Bron: Renesas

Absolute maatregelen
Hoewel de menselijke neus erg gevoelig is voor verontreinigingen, past hij zich ook snel aan, waardoor mensen die herhaaldelijk aan bepaalde geuren worden blootgesteld, deze niet meer waarnemen. Het is echter niet onbeperkt. De neus en hersenen passen zich binnen een bepaalde drempel aan hun omgeving aan. De mensen die bijvoorbeeld in een overvolle vergaderruimte hun lunch eten, ruiken het eten misschien niet meer, maar de geur is duidelijk voor iemand die net de kamer binnenkomt. Evenzo kunnen inwoners van Los Angeles de ozon niet ruiken omdat ze eraan gewend zijn.

Absolute maatregelen zijn belangrijk omdat je de menselijke neus niet kunt vertrouwen om na een tijdje een gas te detecteren. Een absolute maatstaf is een getal in plaats van een bereik.

"Het betekent niet dat de lucht goed is, alleen omdat we het niet kunnen ruiken", zei Meyer. “Maar we willen nog een stap verder gaan. We willen niet de absolute concentratie meten. We willen je ook vertellen waar het mee te maken heeft, voor cognitieve scores voor gezondheidseffecten, want daar wordt het einde voor geteld. Als we ons goed voelen, kunnen we dan bewijzen dat we een productieve werkomgeving hebben? Of zitten we thuis en voelen we ons de hele tijd moe? We stellen onze eigen normen niet op, want we zijn geen dokters. Wij zijn geen mensen die sociale studies doen en kijken hoe cognitieve scores zijn. Maar we verwijzen wel naar standaarden die er al zijn.”

De te meten concentratieniveaus zijn een goede indicatie van het type sensor dat nodig is voor een taak. Bij het detecteren van delen per miljoen (ppm) kan de sensorgevoeligheid lager zijn dan bij het detecteren van delen per miljard (ppb). Chemici kijken naar de concentratie van gas, met behulp van mg/m³. Ingenieurs praten in delen per miljoen of per miljard.

Ook van invloed op de absolute maatstaf zijn temperatuur en vochtigheid, wat betekent dat sensoren wel moeten worden gekalibreerd. "Vochtigheid en temperatuur hebben altijd effecten - altijd", zei Meyer. “Vraag wat de invloed is van de temperatuur, want temperatuur heeft altijd invloed op alles, ook op sensoren. Daarom moeten we de temperatuur en vochtigheid compenseren.”

Om dit proces te vereenvoudigen, beginnen vochtigheids- en temperatuursensoren te worden ingebouwd in luchtkwaliteitsmonitoren. “De typische monitor die je al hebt voor de luchthaven heeft een temperatuur-/vochtigheidssensor aan de binnenkant. Zelfs sommige smartphones hebben het al”, zegt Meyer. “Er zijn enkele tientallen smartphones beschikbaar met temperatuur-/vochtigheidssensoren. Het nieuwe is om luchtkwaliteitssensoren op de smartphone op te nemen. Er zijn twee smartphones in de wereld die een luchtkwaliteitssensor hebben.”

Afb. 2: Gassensortechnologieën. Bron: Renesas

Drempel versus relatieve metingen
Machine learning wordt ook ingebouwd in sensoren om de gegevens beter te begrijpen in de context van andere variabelen. Het gebruik van een drempelwaarde en meting kan een alarm laten afgaan dat een relatief getal zich op een gevaarlijk niveau bevindt.

"Je hebt drie dingen die ongeëvenaard zijn als het gaat om luchtkwaliteit," zei Meyer. “Het eerste is om rekening te houden met de algemene drempels. Drempelwaarde betekent dat een specifiek gas een bepaalde concentratie heeft en dat het ongezond of giftig wordt. Denk bijvoorbeeld aan koolmonoxide, dat heb je bij open haarden. In Britse huizen is het gebruikelijk om een ​​schoorsteen in een open haard te hebben, waar de ventilatie niet erg goed is. Je hebt dus koolmonoxide of stikstofoxide, wat een ander voorbeeld is. Stikstofdioxide (NO₂) en stikstofmonoxide (NO) hebben lagere drempelwaarden die niet mogen worden overschreden. In de openbare ruimte zoals in een kantooromgeving of industriële omgeving zijn ze gereguleerd, dus een bepaalde mag niet overschreden worden. Voor koolmonoxide is dit 50 ppm. Zodra 30 ppm is bereikt, moet er alarm geslagen worden. Je moet een tegenactie ondernemen - je moet de mensen informeren om het gebouw te verlaten, de kamer te verlaten.

Conclusie
IC's en modules voor gassensoren voor binnenshuis staan ​​aan de vooravond van een renaissance van typen, materialen en vormfactoren, en meer innovaties bevinden zich nog in de onderzoeksfase. Firmware- en hardwareverbeteringen op systeemniveau en machine learning-algoritmen maken het voor systeemontwerpers gemakkelijker om gassensoren toe te passen in systemen die de metingen en aanpassingen van de luchtkwaliteit in gebouwen automatiseren en de luchtkwaliteit rapporteren. De gegevens die uit deze sensoren worden gehaald, zijn zo nauwkeurig als vereist (waarneming tot delen per miljoen of miljard), op basis van de use case.

Naarmate deze sensoren zich vermenigvuldigen, zullen er waarschijnlijk meer opties en mogelijkheden beschikbaar zijn, en mogelijk veel meer normen waaraan sensoren moeten voldoen. Het goedkoop en nauwkeurig kunnen meten van kleine hoeveelheden gassen is slechts de eerste stap.

• Coinsmart. Europa's beste Bitcoin- en crypto-uitwisseling.Klik Hier
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://semiengineering.com/indoor-gas-sensors-proliferate-with-better-standards/