微訪談：InvenSense新興業(yè)務(wù)部門高級總監(jiān)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(lián)網(wǎng)（IoT）、醫(yī)療保健以及其它應(yīng)用領(lǐng)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(yè)務(wù)部門高級總監(jiān)Sreeni Rao博士為大家進行了詳細介紹。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，TDK于2021年1月發(fā)布了革命性的產(chǎn)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(shù)，作為新SmartEnviro系列的一部分，其小尺寸、低功耗的設(shè)計理念，適用于所有形態(tài)的電池驅(qū)動型消費類和商業(yè)類設(shè)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(tǒng)設(shè)計。

TDK革命性CO2氣體傳感器：InvenSense TCE-11101

TCE-11101獨特地將材料開發(fā)與MEMS工藝相結(jié)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(tǒng)傳感器體積小幾個數(shù)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(xiàn)有應(yīng)用中，該器件顯著擴展了CO2檢測的應(yīng)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(shù)，或本質(zhì)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(shè)計工程師的價值，EE Evaluation Engineering（以下簡稱：EE）對TDK集團InvenSense新興業(yè)務(wù)部門的高級總監(jiān)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(chǎn)品，該系列產(chǎn)品是基于MEMS工藝技術(shù)嗎？

Sreeni Rao：是的。SmartEnviro新系列預(yù)計將涵蓋我們在氣體傳感及普通環(huán)境傳感領(lǐng)域的MEMS傳感器。我們推出的第一款產(chǎn)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(chǎn)的MEMS工藝，因此該器件有望在成本上也具備相當?shù)母偁幜ΑＴ撈骷峁┑男阅軆?yōu)勢是其它具備成本和功耗優(yōu)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(yīng)用空間，從住宅監(jiān)測，到發(fā)酵工藝管理，再到農(nóng)業(yè)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(yīng)用領(lǐng)域是非常分散的。顯然，您提到的所有應(yīng)用MEMS傳感器均適用，但是僅有部分應(yīng)用是亟需MEMS傳感器，這是因為這類應(yīng)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(huán)境中的工業(yè)應(yīng)用，其中部署的傳感器數(shù)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(shù)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(yīng)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(shù)字接口等），那么CO2傳感的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V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(yōu)勢的解決方案。

InvenSense TCE-11101的優(yōu)勢

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

Sreeni Rao：CO2傳感最合理、最直觀的應(yīng)用就是室內(nèi)空氣質(zhì)量管理或室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測。無論是在家里、公寓，還是在托兒所、學校或辦公樓，監(jiān)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(dǎo)致身體出現(xiàn)不健康狀態(tài)，而且還會產(chǎn)生其它影響。例如在辦公室環(huán)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(xù)時間（attention span）會隨著CO2濃度的提升而下降。因此監(jiān)測CO2的濃度很重要，這樣可以提醒我們采取相應(yīng)的改善措施，如開窗通風。

因此目前來看，以上這些應(yīng)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(huán)境也可能導(dǎo)致其它健康問題。所以，我認為監(jiān)測環(huán)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(nóng)業(yè)應(yīng)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(nóng)業(yè)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(zhì)量會發(fā)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(jié)果更為精確。當然，肯定還有很多這樣的應(yīng)用需求，如某個過程監(jiān)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(nóng)業(yè)場景中，我們需要監(jiān)測從儲罐輸出的CO2濃度或?qū)嶒炛械腃O2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(xiàn)有的傳感器大多笨重、體積大、功耗高且價格昂貴。

傳統(tǒng)氣體傳感器的劣勢

過去數(shù)十年中，業(yè)界一直使用這樣的傳統(tǒng)氣體傳感器。它們通常基于光學技術(shù)，會占用較大的空間，以便使光信號得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。因此，它們可以用于像您提到的這些應(yīng)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(shù)界其實對成本非常敏感。表面上看，目前存在很多應(yīng)用，你可能會想，“哦，它可以使用，但未必需要……”但對于更優(yōu)質(zhì)的CO2傳感器來說，其內(nèi)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(lǐng)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(diào)查中發(fā)現(xiàn)的實際情況。我們認為，該市場已經(jīng)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(quán)衡，并非傳統(tǒng)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(zhì)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(xiàn)這項新技術(shù)時，實際上已經(jīng)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(guān)于產(chǎn)品的反饋？請與我們分享一下客戶的反饋結(jié)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(shù)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(chǎn)且性能良好的CO2傳感器。關(guān)鍵在于，采用這樣的解決方案，CO2傳感可以發(fā)揮的應(yīng)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(yīng)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(fā)平臺SmartMotion，氣體傳感器評估板可以幫助工程師創(chuàng)建應(yīng)用解決方案

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

Sreeni Rao：當然會。所以即使存在現(xiàn)有的解決方案，大家也一直在嘗試監(jiān)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(yīng)用。新鮮的食物與不新鮮的食物（如腐爛的食物或者發(fā)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(jiān)控食品供應(yīng)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(fā)生，恰當?shù)厥褂貌⒉渴饸怏w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(yīng)鏈的重要組成部分。迄今為止，該應(yīng)用還未被充分挖掘，這是因為還未出現(xiàn)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(tài)CO2）中的。其中應(yīng)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(jiān)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(huán)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(huán)境中的CO2濃度來做出任何該有措施。所以，監(jiān)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(diào)，目前大部分汽車空調(diào)使用的是氫氟碳化物（HFCs）。事實證明，大多數(shù)的氫氟碳化物對環(huán)境是有害的。如果CO2被用作冷卻劑或冷凍介質(zhì)，它對環(huán)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(zhì)，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(nèi)的人昏昏欲睡。如果汽車發(fā)生了CO2泄露，會造成駕駛員昏昏欲睡，并可能導(dǎo)致嚴重的交通事故。因此在汽車追蹤系統(tǒng)中實時監(jiān)測CO2泄漏情況就變得非常重要。這是我們在汽車領(lǐng)域了解到的應(yīng)用，非常接近您剛才提到的情況——氣體泄漏監(jiān)測。

EE：正如您所講到的，目前存在一些傳統(tǒng)解決方案，但還是有很多應(yīng)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(xiàn)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(yīng)用空間。如果現(xiàn)在出現(xiàn)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(yīng)用。

Sreeni Rao：沒錯，這也是我們所認為的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。大棚氣體監(jiān)測也是在很長一段時間都沒有啟用的應(yīng)用，就是因為沒有合適的解決方案。TDK之所以能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)與特定算法相結(jié)合的重要傳感器，而氣體傳感器不僅僅需要MEMS技術(shù)，還需要材料技術(shù)。因為歸根結(jié)底，氣體傳感必須通過與某些材料產(chǎn)生某種程度的相互作用才能實現(xiàn)。

這些材料可能是惰性物質(zhì)，也可能是化合物質(zhì)，還可能是金屬氧化物。因此，實現(xiàn)氣體與材料之間的相互作用，再利用MEMS技術(shù)，才能使之成為優(yōu)秀的氣體傳感器，然后再將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，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(yōu)秀的氣體傳感器，需要將這三部分結(jié)合起來——優(yōu)秀的材料專業(yè)知識、MEMS專業(yè)知識以及算法專業(yè)知識。

革命性氣體傳感器所需的三大技術(shù)

TDK本質(zhì)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(shù)。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(shù)和材料專業(yè)知識，再將他們與算法完美地結(jié)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(yīng)用空間很小，但應(yīng)用領(lǐng)域卻很多。

但除此之外，我們還必須了解，需要根據(jù)氣體類型進行監(jiān)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(guān)心的諸多領(lǐng)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(jiān)控。

比如甲烷。眾所周知，美國大多數(shù)地下室都是利用燃氣加熱器來實現(xiàn)供暖，燃氣就是甲烷與其它氣體的混合物。因此，監(jiān)測甲烷泄漏也很重要。只要使用燃氣灶，就會有氣體物質(zhì)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(jiān)測生活中的其它氣體也很重要。CO2如此受到關(guān)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(zhì)不活潑的氣體，不會與任何其它氣體發(fā)生反應(yīng)，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(fā)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(shù)（材料、MEMS、算法）結(jié)合起來，將氣體傳感帶入更廣闊的大眾視野。

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