[发明专利]集成空气质量传感器

说明书

技术领域

本公开涉及在监测空气质量时用于检测诸如二氧化碳和挥发性有机化合物的气相分子的小型传感器。

相关技术

据信，由于空气污染，导致每年出现多达七百万例过早死亡[世界卫生组织报告(World Health Organization Report)，2014年3月25日]。空气污染既包括室外污染，又包括密闭空间(诸如，例如，家、工厂、办公楼和高密度公寓大楼)内的不良室内空气质量。一些专家认为，室内空气污染比室外空气污染带来更大的健康危害。在第三世界国家，一些与空气污染有关的疾病和死亡被归咎于使用固体燃料进行采暖和烹饪。然而，使用更清洁形式能源的工业社会继续遭受室内污染对健康的影响。在典型的一天中，每个办公室工作人员吸入并处理约15立方米的空气，排出约350升二氧化碳(CO₂)。在使用包含胶、染料、粘结剂、粘合剂等的工程材料建造的许多建筑物中，存在高含量的挥发性有机化合物(VOC)。此外，清洁产品、溶剂、涂料和其他涂层、家具、地毯和其他化学来源也成为VOC污染物之一。VOC包括诸如乙醇、甲苯、苯、甲醛、四氯乙烷(TCE)和二氯甲烷的化合物。

随着建筑物的热吸率提高并且构造变得更具气密性，空气循环较少并且从外到内的空气交换减少。随着污浊空气积聚在密闭空间内，二氧化碳和VOC的浓度会升高至有害水平。在某些情况下，会使心肺功能受损，从而增加心脏病发作和中风的风险。在持续暴露于不良空气质量的情况下，随时间推移，这些空气中的毒素会诱发癌症。此外，不良空气质量带来的更微妙和更常见的结果是，大脑变得缺氧，生产率下降。美国国立卫生研究院(NIH)资助的哈佛研究表明，典型的约950ppm的室内CO₂含量有损认知能力，从而最终降低了工作人员的生产率。[J.G.艾伦(J.G.Allen)等人，“办公室工作者的认知功能评分与二氧化碳、空气流通和挥发性有机化合物暴露的关联：绿色与传统办公室环境的控制暴露研究(Associations of Cognitive Function Scores with Carbon Dioxide,Ventilation,and Volatile Organic Compound Exposures in Office Workers:A Controlled Exposure Study of Green and Conventional Office Environments)”，环境与健康展望期刊，DOI:10.1289/ehp.1510037，2015年10月26日]。因此，已经引入了绿色建筑实践，以试图限制VOC的使用，并且在某些情况下，需要更高的室外空气通风速率来防止VOC和CO₂的积聚。

一直获悉环境空气中存在的VOC和CO₂含量正面临挑战。虽然某些人对VOC特别敏感并且将在高VOC环境中遭受过敏反应(诸如，头疼、眩晕和眼睛、鼻子和喉咙刺激)，但大多数人无法检测到有害含量的污染物。因为VOC和CO₂都是没有气味的，所以通常难以检测它们，大多数建筑物现在并没有装配有多种类气体传感器。可购得一些包含CO₂和VOC传感器的便携式空气质量警告设备，例如，AirVisual Node^TM、Alima^TM、Atmotube^TM、Cube Sensor^TM等。然而，这些设备往往笨重，并且能够监测暴露的私人领域的每个单元的成本达数百美元。

发明内容

多种类微传感器设备检测环境空气中的多种气体成分，以监测空气质量。特别地，在单个集成电路芯片(例如，包括挥发性有机化合物(VOC)传感器和CO2传感器的应用专用集成电路(ASIC))上形成三个或更多个气体种类检测器。ASIC还可包括其他类型的环境传感器以及处理器和存储器。这种小型多种类传感器芯片可被无缝地且不可见地集成到许多不同产品中。例如，多种类传感器芯片可被装配在固定装置(诸如，台式计算机或显示器)中，用于监测个体的工作环境。另外，集成传感器芯片可被装配在移动设备(诸如，膝上型计算机、智能电话、衣物、手表和其他配饰)中，以用作空气质量的私人监测设备。这种集成多种类气体传感器可连续地监测空气质量指标，空气质量指标包括各种气体物质的含量连同湿度、温度等。