微訪談：InvenSense新興業務部門高級總監Sreeni Rao博士

TDK革命性的超低功耗MEMS氣體傳感器能夠在家庭、汽車、物聯網（IoT）、醫療保健以及其它應用領域，直接且準確地檢測二氧化碳（CO2）氣體。針對該主題，近日TDK InvenSense新興業務部門高級總監Sreeni Rao博士為大家進行了詳細介紹。

據麥姆斯咨詢報道，TDK于2021年1月發布了革命性的產品：InvenSense TCE-11101，這是一款超低功耗MEMS氣體傳感器，可直接、準確地檢測CO2。該器件引入了新技術，作為新SmartEnviro系列的一部分，其小尺寸、低功耗的設計理念，適用于所有形態的電池驅動型消費類和商業類設備。TCE-11101采用5mm x 5mm x 1mm的28引腳LGA封裝，并且僅需最少的外部組件來完成系統設計。

TDK革命性CO2氣體傳感器：InvenSense TCE-11101

TCE-11101獨特地將材料開發與MEMS工藝相結合，同時還集成了人工智能（AI）與機器學習（ML）能力，提供比傳統傳感器體積小幾個數量級的解決方案。此外，該器件的功耗不到1 mW。在各類新興及現有應用中，該器件顯著擴展了CO2檢測的應用案例，而“eCO2”解決方案由于性能不佳目前還無法使用。（目前，氣體傳感器普遍使用體積龐大、功耗較高且價格昂貴的光學技術，或本質上測量不精準的“eCO2”方法。）

為了更好地了解這款新型MEMS氣體傳感器，以及它對設計工程師的價值，EE Evaluation Engineering（以下簡稱：EE）對TDK集團InvenSense新興業務部門的高級總監Sreeni Rao博士進行了采訪。

EE：請您為我們介紹新款CO2氣體傳感器系列產品，該系列產品是基于MEMS工藝技術嗎？

Sreeni Rao：是的。SmartEnviro新系列預計將涵蓋我們在氣體傳感及普通環境傳感領域的MEMS傳感器。我們推出的第一款產品就是基于MEMS的CO2氣體傳感器。這款傳感器的特別之處在于采用了超低功耗、極小尺寸的解決方案，而且由于我們采用了可量產的MEMS工藝，因此該器件有望在成本上也具備相當的競爭力。該器件所提供的性能優勢是其它具備成本和功耗優勢的解決方案所無法比擬的。

EE：目前，CO2傳感其實還有很大的應用空間，從住宅監測，到發酵工藝管理，再到農業傳感，請您詳細為我們介紹一下！

Sreeni Rao：的確是這樣。而且CO2傳感的應用領域是非常分散的。顯然，您提到的所有應用MEMS傳感器均適用，但是僅有部分應用是亟需MEMS傳感器，這是因為這類應用需要在功耗、器件占用空間以及成本等方面都具備競爭力的解決方案。

舉例說明：如果是在安全環境中的工業應用，其中部署的傳感器數量非常少，那么器件成本可能并不是主要的考量因素。同時，在器件數量很少的情況下，可以使用有線電源，功耗可能也就不是問題。

但迄今為止，目前的解決方案其實限制了CO2傳感應用的可用性，如果存在這樣性能良好的解決方案（即低功耗、低成本、小體積、易于部署以及具備數字接口等），那么CO2傳感的應用領域將更為廣闊。因此TDK所做的正是填補這一空白，如果您有需要，我們能夠提供具有上述所有優勢的解決方案。

InvenSense TCE-11101的優勢

EE：目前CO2傳感的應用領域如此分散，并且應用方案很多，那么請您介紹貴司最初的目標應用領域有哪些？

Sreeni Rao：CO2傳感最合理、最直觀的應用就是室內空氣質量管理或室內空氣質量監測。無論是在家里、公寓，還是在托兒所、學校或辦公樓，監測CO2濃度都非常重要，這是因為，任何生活空間中的CO2濃度上升都會導致身體出現不健康狀態，而且還會產生其它影響。例如在辦公室環境中，CO2濃度上升會降低工作效率，這是由于人的注意力持續時間（attention span）會隨著CO2濃度的提升而下降。因此監測CO2的濃度很重要，這樣可以提醒我們采取相應的改善措施，如開窗通風。

因此目前來看，以上這些應用需求最為突出。還要指出的一點是，隨著人們對新冠病毒肺炎（COVID-19）感染等問題的重視程度的不斷提升。我們有理由相信，CO2濃度高的環境也可能導致其它健康問題。所以，我認為監測環境的氣體水平變得更加重要，而CO2似乎是其中最大的目標之一。

EE：我們提到CO2傳感農業應用的原因之一是我們有幸了解到歐洲FACE項目，這是一項重要的農業項目，他們在葡萄園中配備了CO2儲罐。研究人員將CO2通入葡萄園中，以便觀察當CO2濃度增加10%到15%時，20年間葡萄酒的質量會發生怎樣的變化。因此，該項目需要傳感器來確定其中的CO2含量，使研究結果更為精確。當然，肯定還有很多這樣的應用需求，如某個過程監測或是研究項目、亦或是某個以前因尺寸或功耗問題無法安裝傳感器的地方。

Sreeni Rao：的確。您剛才提到的最后一點是我們認為最重要的因素，正如您之前給出的用例。例如在農業場景中，我們需要監測從儲罐輸出的CO2濃度或實驗中的CO2濃度。如今，我們的新型CO2解決方案可以完美地解決這些問題。目前市場上并非沒有CO2傳感器，而是現有的傳感器大多笨重、體積大、功耗高且價格昂貴。

傳統氣體傳感器的劣勢

過去數十年中，業界一直使用這樣的傳統氣體傳感器。它們通常基于光學技術，會占用較大的空間，以便使光信號得到相應的轉換。因此，它們可以用于像您提到的這些應用，在這些用例中，氣體傳感器的使用量非常少，且對成本不那么敏感。

EE：學術界其實對成本非常敏感。表面上看，目前存在很多應用，你可能會想，“哦，它可以使用，但未必需要……”但對于更優質的CO2傳感器來說，其內在需求可能在很大程度上被抑制了。正如您所說，氣體測量在很多領域都較為成熟；但也正如您所說，許多解決方案很笨重，并不一定是最佳的。

Sreeni Rao：這正是我們在市場調查中發現的實際情況。我們認為，該市場已經成熟，是時候通過新的解決方案來打破這種局面；這種解決方案做到了盡可能最佳且智能的權衡，并非傳統那種笨重、高功耗的解決方案。

另一方面，我前面曾提到，如今有了基于MEMS的解決方案，能夠解決光學方案的功耗和尺寸問題，不僅如此，這些解決方案本質上基于的原理可能不準確，或是容易不準確、不精確。因此，我們在提出利用MEMS實現這項新技術時，實際上已經在兩者之間找到了最佳且最智能的折中方案。

EE：貴司是否從測試客戶那里獲得關于產品的反饋？請與我們分享一下客戶的反饋結果。

Sreeni Rao：其實客戶的普遍反饋是，像我們這樣的解決方案可以打開的市場將非常巨大。因此，大多數客戶都樂于看到我們能夠提供一款基于MEMS的微型化、可量產且性能良好的CO2傳感器。關鍵在于，采用這樣的解決方案，CO2傳感可以發揮的應用空間更加廣闊。這就是我們將做出重大改變的地方，我們可以利用評估工具來幫助工程師解決這些新應用所面臨的問題。

圖為TCE-11101子板評估套件和MEMS傳感器融合開發平臺SmartMotion，氣體傳感器評估板可以幫助工程師創建應用解決方案

EE：CO2傳感具有非常廣闊的應用空間，并且有很多監測方法，您認為提升傳感器的可用性能否帶來新的應用?

Sreeni Rao：當然會。所以即使存在現有的解決方案，大家也一直在嘗試監測CO2和其它氣體的新解決方案。例如，食品安全也是氣體傳感的一種應用。新鮮的食物與不新鮮的食物（如腐爛的食物或者發生其它變化的食物）相比較，所排放的氣體種類差異很大。

因此，為了能夠監控食品供應鏈的新鮮度，并確保諸如沙門氏菌中毒或其它食物中毒事件不會發生，恰當地使用并部署氣體傳感器，可以解決或避免這樣的問題，至少對類似情況引起足夠注意。因此，氣體傳感器也可能成為食品供應鏈的重要組成部分。迄今為止，該應用還未被充分挖掘，這是因為還未出現能夠兼具微型化、低成本和低功耗的合適解決方案。

EE：目前，運輸新冠病毒疫苗都是包裝在干冰（固態CO2）中的。其中應該安裝了某種溫度傳感器，如果安裝CO2傳感器可能也會有用，可以監測到干冰是否都升華完了。

Sreeni Rao：確實，利用CO2傳感器可以確保運輸途中有足夠的干冰維持低溫環境。CO2是無形殺手，人們根本聞不到它，因此人們無法通過感知環境中的CO2濃度來做出任何該有措施。所以，監控運輸途中是否存在CO2泄漏也非常重要。我覺得這很有道理。

在炎熱的天氣里人們會鉆進車里打開空調，目前大部分汽車空調使用的是氫氟碳化物（HFCs）。事實證明，大多數的氫氟碳化物對環境是有害的。如果CO2被用作冷卻劑或冷凍介質，它對環境的危害要比其它氣體（如氫氟碳化物）小得多。因此很多新車型正在歐洲、中國和日本上市，其它地方也開始改用CO2作為冷卻液或冷卻介質，拋棄了氫氟碳化物。

因此大家可以想象一下，當使用CO2時（與氫氟碳化物不同，氫氟碳化物即使在空氣中的濃度很低也可能對人體造成傷害），CO2雖然不會傷害人體健康，但會使車內的人昏昏欲睡。如果汽車發生了CO2泄露，會造成駕駛員昏昏欲睡，并可能導致嚴重的交通事故。因此在汽車追蹤系統中實時監測CO2泄漏情況就變得非常重要。這是我們在汽車領域了解到的應用，非常接近您剛才提到的情況——氣體泄漏監測。

EE：正如您所講到的，目前存在一些傳統解決方案，但還是有很多應用可能存在危險的CO2積累，大家并沒有考慮到。比如在大棚種植中，嘗試用覆蓋物來實現保溫，可能就沒有考慮覆蓋物中的氣體排出……許多大家沒有考慮到情況中都可能存在應用空間。如果現在出現一款價格便宜、小巧、精確的氣體傳感器，就能拓展出更多的應用。

Sreeni Rao：沒錯，這也是我們所認為的產業發展方向。大棚氣體監測也是在很長一段時間都沒有啟用的應用，就是因為沒有合適的解決方案。TDK之所以能夠實現這一目標，就是因其特別之處。例如，加速度計和陀螺儀是利用MEMS技術與特定算法相結合的重要傳感器，而氣體傳感器不僅僅需要MEMS技術，還需要材料技術。因為歸根結底，氣體傳感必須通過與某些材料產生某種程度的相互作用才能實現。

這些材料可能是惰性物質，也可能是化合物質，還可能是金屬氧化物。因此，實現氣體與材料之間的相互作用，再利用MEMS技術，才能使之成為優秀的氣體傳感器，然后再將其轉換成數據，就可以進行處理和計算了。因此，為了制造真正具備競爭力、性能優秀的氣體傳感器，需要將這三部分結合起來——優秀的材料專業知識、MEMS專業知識以及算法專業知識。

革命性氣體傳感器所需的三大技術

TDK本質上其實是一家材料公司，TDK是從磁性材料起家的。

EE：這讓我馬上想到了Nakamichi卡帶和TDK金屬磁帶。

Sreeni Rao：因此，材料科學是我們公司的核心技術。隨著像InvenSense這樣的公司成為TDK家族的一部分，我們就同時擁有卓越的MEMS技術和材料專業知識，再將他們與算法完美地結合在一起，就能制造出性能極佳且差異化的氣體傳感器。

EE：最后，請與大家分享您對氣體傳感器或者CO2傳感器的見解。

Sreeni Rao：我想補充一點，正如最開始提到的那樣，氣體傳感是非常分散的市場，因為應用空間很小，但應用領域卻很多。

但除此之外，我們還必須了解，需要根據氣體類型進行監測的氣體傳感也是非常分散的市場。CO2只是眾多重要氣體中的一員。在如今的時代，在我們最關心的諸多領域，CO2只是恰好成為了重要目標之一，但其實還有許多其它有害的氣體需要得到監控。

比如甲烷。眾所周知，美國大多數地下室都是利用燃氣加熱器來實現供暖，燃氣就是甲烷與其它氣體的混合物。因此，監測甲烷泄漏也很重要。只要使用燃氣灶，就會有氣體物質蓄積；新家具和新地毯通常也會釋放甲醛，甲醛是一種致癌氣體。

因此，我認為監測生活中的其它氣體也很重要。CO2如此受到關注的原因，可能恰好是重要目標之一，也是最難防范的氣體之一。CO2屬于化學性質不活潑的氣體，不會與任何其它氣體發生反應，以至于無法明確地感知其存在。總體來說，氣體傳感市場對于MEMS傳感器開發商和對其感興趣的人們來說是一個巨大的機遇，利用合適的解決方案，可將我們前面提到的三項技術（材料、MEMS、算法）結合起來，將氣體傳感帶入更廣闊的大眾視野。

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