El mercado de sensores de gas se está expandiendo rápidamente, impulsado por una mayor preocupación por la calidad del aire interior y una mejor tecnología para detectarlo y medirlo.

La detección de la calidad del aire interior se enfoca en gases y concentraciones que difieren, con cierta superposición, del exterior. Pero hasta la pandemia, que coincidió en gran medida con una avalancha de nuevas investigaciones sobre lo que es tóxico para las personas y los animales, este ha sido un mercado relativamente tranquilo. Eso está cambiando a medida que los sistemas grandes y toscos son reemplazados por sensores y módulos mucho más pequeños, más baratos y más precisos.

El desafío al que se enfrentan ahora los diseñadores de sistemas es entender qué sensor cumplir con qué estándares y qué está realmente disponible con suficiente cantidad y calidad para lograr resultados precisos.

“No tengo que decirles que el monóxido de carbono es un asesino”, dijo Sreeni Rao, director sénior de productos y negocios de detección ambiental y de gas de TDK, que está trabajando en los estándares SEMI para sensores de gas. “Pero hay muchos otros gases que pueden matar a una persona si no se manipulan o ventilan adecuadamente. El dióxido de carbono podría matar a una persona en una habitación en concentraciones de hasta 50,000 XNUMX ppm”.

La buena noticia es que la cantidad de sensores aumenta rápidamente. Los sensores de gas están comenzando a aparecer en los teléfonos inteligentes, por ejemplo. Pero si bien los estándares son abundantes, también están cambiando, por lo que saber qué estándares seguir y luego obtener la certificación del sensor/módulo por parte de un laboratorio externo confiable son ingredientes esenciales para el diseño de un sensor.

No hay una talla única para el monitoreo de la calidad del aire, según una encuesta reciente realizada por MEMS and Sensors Industry Group (MSIG) de SEMI. “Los contaminantes para interiores y exteriores son diferentes, y ciertas tecnologías pueden ser mejores que otras en la detección”, según un artículo escrito por Radislav Potyrailo, científico principal de GE Research y presidente del Grupo de Trabajo de Dispositivos de MSIG; Ryotaro Sakauchi, gerente sénior de Robert Bosch LLC responsable del desarrollo comercial del mercado de consumo de los sensores MEMS de Bosch Sensortec; Rao de TDK; y Christian Meyer, gerente senior de marketing de productos de Renesas, especializado en sensores de gas.

Los sistemas voluminosos y costosos de detección de gases y calidad del aire aprobados por agencias gubernamentales para el monitoreo oficial de la calidad del aire no se reemplazan. Pero se están complementando con versiones más pequeñas y que consumen menos energía, que están democratizando y microlocalizando las lecturas de la calidad del aire.

Uno de los problemas para los diseñadores de sensores y sistemas, junto con los consumidores, es clasificar una gran cantidad de estándares de calidad del aire. Algunos de esos estándares aún se están formando y actualizando, con base en la nueva ciencia de lo que se considera no saludable. Por eso es importante certificar que un sistema se basa en un estándar real, o en una serie de estándares. Además, estos dispositivos deben calibrarse de manera continua y los algoritmos que "interpretan" los datos deben actualizarse.

Los estándares pueden variar de una región a otra. Cada país establece sus propios estándares de calidad del aire interior (IAQ), y algunas organizaciones de construcción y de salud/seguridad están estableciendo algunos estándares. Entonces, en lugar de seguir los estándares del gobierno y del grupo de la industria de la construcción, algunos fabricantes de sensores definen sus propias reglas, según Christian Meyer, gerente senior de marketing de productos de Renesas que se especializa en sensores de gas.

Los nuevos estándares basados ​​en estudios están encontrando lo que afecta a las personas en un ambiente interior. Esos estándares están evolucionando a medida que la cantidad de datos obtenidos de los estudios de salud se integran en el proceso de diseño.

Tres importantes estándares de calidad del aire interior (IAQ) basados ​​en la ciencia provienen de UBA, WELL y RESET.

• UBA: Estos son estándares de Umweltbundesamt (UBA), que es la Agencia Ambiental Federal Alemana, ofrecen una variedad de recomendaciones para viviendas privadas.
• WELL: Este es un estándar de la industria de la construcción del International WELL Building Institute, con sede en los EE. UU.
• RESET: Administrado por GIGA, pero iniciado por el equipo de GIGA con sede en Shanghái en 2013, el grupo tiene su sede en Québec, Canadá, y oficinas en EE. UU. y China. RESET se utiliza principalmente en Asia.

Estos tres estándares IAQ están informados por la Organización Mundial de la Salud y otros estándares. La IAQ en espacios públicos, incluidas oficinas y fábricas, está regulada, pero la IAQ residencial a menudo no lo está. En su mayor parte, no puede obligar a alguien a instalar un sensor de monóxido de carbono en una casa privada, aunque puede haber regulaciones en los códigos de construcción para las inspecciones de nuevas construcciones o remodelaciones.

“Hay muchos otros estándares”, dijo Meyers de Renesas. “Por ejemplo, ASTM tiene un estándar. SEMI tiene un estándar. UL tiene un estándar. Así que hay muchos otros estándares con diferente énfasis y diferentes enfoques”.

La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA, por sus siglas en inglés) monitorea el aire exterior y observa los niveles de cuatro gases: ozono (O₃), NO₂, ASI QUE₂y CO, y concentraciones de partículas en el aire utilizando instrumentos aprobados por la EPA para obtener un índice de calidad del aire (AQI).

Aire interior
La tecnología de detección de gases se puede dividir en dos campos, los que utilizan métodos físicos y los que utilizan métodos fisicoquímicos. Los métodos físicos son acústicos, térmicos, ópticos, separaciones y electrónicos. Los fisicoquímicos son electroquímicos, ionizantes y quimiorresistivos. Los sensores IAQ detectan algunos compuestos diferentes de los sensores exteriores. Los compuestos orgánicos volátiles totales (TVOC) pueden liberar gases de los muebles, la pintura y las alfombras, además del CO₂ y CO. Ozono (O₃) y no_x la detección está incluida.

Fig. 1: Las tecnologías de medición de gases pertenecen a métodos físicos o físico-químicos. Fuente: Renesas

medidas absolutas
Aunque el olfato humano es muy sensible a los contaminantes, también se adapta rápidamente, razón por la cual las personas expuestas repetidamente a ciertos olores dejan de sentirlos. Sin embargo, no es ilimitado. La nariz y el cerebro se adaptan a su entorno dentro de un cierto umbral. Por ejemplo, es posible que las personas sentadas en una sala de conferencias abarrotada comiendo su almuerzo ya no huelan la comida, pero el olor es evidente para alguien que acaba de entrar en la sala. Asimismo, los residentes de Los Ángeles no pueden oler el ozono porque están acostumbrados.

Las medidas absolutas son importantes porque no se puede confiar en que el olfato humano detecte un gas después de un tiempo. Una medida absoluta es un número en lugar de un rango.

“No significa que el aire sea bueno, simplemente porque no podemos olerlo”, dijo Meyer. “Pero queremos dar un paso más. No queremos medir la concentración absoluta. También queremos decirles con qué se relaciona, para las puntuaciones cognitivas de los efectos sobre la salud, porque para esto se cuenta el final. Si nos sentimos bien, ¿podemos demostrar que tenemos un ambiente de trabajo productivo? ¿O nos sentamos en casa y nos sentimos cansados ​​todo el tiempo? No creamos nuestros propios estándares, porque no somos médicos. No somos personas que hacemos estudios sociales y vemos cómo están las puntuaciones cognitivas. Pero sí nos referimos a los estándares que ya existen”.

Los niveles de concentración a medir son un buen indicador del tipo de sensor necesario para un trabajo. Si detecta partes por millón (ppm), la sensibilidad del sensor puede ser menor que cuando detecta partes por billón (ppb). Los químicos observan la concentración de gas, usando mg/m³. Los ingenieros hablan en partes por millón o por billón.

También afectan la medida absoluta la temperatura y la humedad, lo que significa que los sensores deben calibrarse. “La humedad y la temperatura siempre tienen efectos, siempre”, dijo Meyer. “Pregunte cuál es la influencia de la temperatura, porque la temperatura siempre influye en todo, incluidos los sensores. Es por eso que necesitamos compensar la temperatura y la humedad”.

Para simplificar este proceso, se están comenzando a incorporar sensores de humedad y temperatura en los monitores de calidad del aire. “El típico monitor que ya tienes para el aeropuerto tiene un sensor de temperatura/humedad adentro. Incluso algunos teléfonos inteligentes ya lo tienen”, dijo Meyer. “Hay algunas docenas de teléfonos inteligentes disponibles que tienen sensores de temperatura/humedad. La novedad es incluir sensores de calidad del aire en el smartphone. Hay dos teléfonos inteligentes disponibles en el mundo que tienen un sensor de calidad del aire”.

Fig. 2: Tecnologías de sensores de gas. Fuente: Renesas

Umbral frente a mediciones relativas
El aprendizaje automático también se está incorporando a los sensores para dar un mejor sentido a los datos en el contexto de otras variables. El uso de un número de umbral y una medición puede activar una alarma de que un número relativo se encuentra en un nivel peligroso.

“Tienes tres cosas que no tienen paralelo cuando se trata de la calidad del aire”, dijo Meyer. “Lo primero es tener en cuenta los umbrales generales. Umbral significa que algún gas específico tiene una cierta concentración y se está volviendo insalubre o tóxico. Piense en el monóxido de carbono, por ejemplo, que tiene en los fuegos abiertos. Es común en los hogares británicos tener una chimenea dentro de una chimenea, donde la ventilación no es muy buena. Entonces tienes monóxido de carbono u óxido de nitrógeno, que es otro ejemplo. Dióxido de nitrógeno (NO₂) y el monóxido de nitrógeno (NO) tienen límites umbrales inferiores que no deben superarse. En el espacio público, como en un entorno de oficina o un entorno industrial, están regulados, por lo que no se puede exceder un cierto. Para el monóxido de carbono, esto es 50 ppm. Tan pronto como se alcanzan las 30 ppm, debe hacer sonar una alarma. Tienes que hacer una acción en contra: tienes que informar a las personas que abandonen el edificio, que abandonen la habitación”.

Conclusión
Los circuitos integrados y módulos de sensores de gas para interiores están en la cúspide de un renacimiento de tipos, materiales y factores de forma, con más innovaciones aún en la fase de investigación. Las mejoras de firmware y hardware a nivel de sistema, y ​​los algoritmos de aprendizaje automático están facilitando a los diseñadores de sistemas la adopción de sensores de gas en sistemas que automatizan las lecturas y los ajustes de la calidad del aire de los edificios, e informan sobre la calidad del aire. Los datos extraídos de estos sensores son tan precisos como se requiere (detección de partes por millón o billón), según el caso de uso.

A medida que proliferen estos sensores, es probable que haya más opciones y capacidades disponibles, y posiblemente muchos más estándares a los que deben adherirse los sensores. Ser capaz de medir pequeñas cantidades de gases de forma económica y precisa es solo el primer paso.

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• Fuente: https://semiengineering.com/indoor-gas-sensors-proliferate-with-better-standards/