二氧化碳光聲傳感技術(shù)

室內(nèi) CO 2濃度高通常是人類存在的結(jié)果。我們的身體吸入氧氣并排放二氧化碳，如果環(huán)境通風不暢，二氧化碳會在室內(nèi)積聚。

而且，現(xiàn)代建筑密集的隔熱層間接導(dǎo)致二氧化碳的增加。例如，減少消耗和加熱或冷卻成本的密集門窗是以減少與外界的空氣交換為代價的。因此，結(jié)果是 CO 2濃度增加，導(dǎo)致持續(xù)需要通風。正是在這些情況下，CO 2傳感器通常用于調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)。

高 CO 2水平會損害人類健康和生產(chǎn)力。將 CO 2傳感器與空氣交換器和智能通風系統(tǒng)相結(jié)合，可以以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風。此外，CO 2傳感器在監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用，因此可以集成到空氣凈化器和智能恒溫器等智能家居產(chǎn)品中。

二氧化碳濃度超過百萬分之 1,000 (ppm) 會降低生產(chǎn)力，并可能導(dǎo)致人類嗜睡。當CO 2濃度高于 2,000 ppm 時，一些人開始頭痛。讓我們考慮一下，在一個封閉的房間里，比如一個擁擠的教室，很多人的存在和通風不良會產(chǎn)生高達 5,000 ppm 的二氧化碳水平。

《紐約時報》說：“二氧化碳含量越高，考生的表現(xiàn)越差;在 2,500 ppm 時，他們的分數(shù)通常比 1,000 ppm 時差得多?！?此外，“如果沒有專門的傳感器，當你蹲在一個小房間里進行長時間的會議時，你實際上無法知道有多少二氧化碳正在積聚。”

商業(yè)和住宅領(lǐng)域的空氣交換器和智能通風系統(tǒng)使用 CO 2傳感器以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風。集成的 CO 2傳感器為空氣質(zhì)量和節(jié)能做出了巨大貢獻。用于 CO 2傳感器的空調(diào)電子設(shè)備還可以監(jiān)測空氣質(zhì)量趨勢，以及在不依賴我們感官的情況下做出決策(圖 1)。

Sensirion CO 2傳感器產(chǎn)品經(jīng)理 Marco Gysel 表示： “公眾對室內(nèi) CO 2水平的認識正在提高：公共和私營部門采取了越來越多的舉措來監(jiān)測和抵消高 CO 2濃度。” “大多數(shù)舉措都集中在教室、大學(xué)和商業(yè)辦公樓，但住宅公寓對 CO 2傳感的需求也在不斷增長。當局和公司開始意識到學(xué)生和工人認知能力下降的代價很高?！?/p>

圖 1：CO 2對人類決策績效的影響(圖片：Environmental Health Perspectives. 120(12).doi:10.1289/ehp.1104789)

新型 SCD40 傳感器和光聲技術(shù)

SCD40 微型 CO 2傳感器為產(chǎn)品設(shè)計提供了新方法，并將為廣泛的新傳感應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。Sensirion 的經(jīng)驗使其能夠改進其在 CO 2傳感器技術(shù)方面的最新創(chuàng)新，提供比其前身 SCD30 小七倍的新設(shè)備。光聲檢測原理在不影響性能的情況下減小了 SCD30 中使用的光學(xué)腔的尺寸。

最先進的 CO 2傳感器(例如 Sensirion 的 SCD30)基于非色散紅外 (NDIR) 光學(xué)檢測原理。由于尺寸和成本的原因，這些 NDIR 傳感器的使用僅限于少數(shù)應(yīng)用。

NDIR 型傳感器是光學(xué)傳感器，常用于氣體分析。主要部件是帶波長濾光片的紅外源、樣氣室和紅外檢測器(圖 2和圖3)。通過照射穿過樣品池(包含 CO 2)的紅外光束并測量樣品在所需波長處吸收的紅外線量，NDIR 檢測器可以測量樣品中 CO 2的體積濃度。

基于 NDIR 原理的傳感器的靈敏度與光束路徑成正比。路徑的大幅減少會導(dǎo)致其性能受損，從而限制了該技術(shù)的小型化潛力。此外，基于 NDIR 原理的傳感器由于其尺寸、結(jié)構(gòu)和大量的分立元件，不具備經(jīng)濟的 BOM 結(jié)構(gòu)。

“在小型化方面，NDIR 技術(shù)似乎達到了 CO 2傳感器的極限，因為傳感器靈敏度與光束路徑長度成正比，因此也與傳感器尺寸成正比，”Gysel 說?！癝ensirion 一直致力于通過在不影響性能的情況下使組件更小、更具性價比來顛覆傳感器市場。對于 CO 2傳感，我們認為光聲技術(shù)是最有前途的方法：除了減小 CO 2傳感器的尺寸和成本外，該技術(shù)還允許 SMT 組裝以取代繁重的通孔焊接。這三個因素結(jié)合起來有可能開辟新的 CO 2傳感市場。就個人而言，我相信光聲技術(shù)有可能在未來 5 到 10 年內(nèi)取代 NDIR 作為標準 CO 2傳感技術(shù)。”

圖 2：SCD30 技術(shù)(圖片：Sensirion)

圖 3：NDIR 原理(圖片：Sensirion)

新的 SCD40 基于 Sensirion 的光聲 PASens 技術(shù)。光聲檢測原理允許傳感器小型化而不影響性能。這是因為傳感器的靈敏度與光學(xué)腔的大小無關(guān)。通過使用 Sensirion 的 CMOSens 技術(shù)進行小型化，可以將這兩種技術(shù)結(jié)合起來并創(chuàng)建一種新型傳感器(圖 4)。

圖 4：NDIR (SCD30) 和 PASens Technology (SCD40) 的尺寸比較(圖片：Sensirion)

光聲原理比較簡單：在封閉的狹小空間內(nèi)發(fā)射對應(yīng)CO 2分子吸收帶的4.26 μm調(diào)制窄帶光信號。測量池中的 CO 2分子吸收部分照射光。CO 2分子吸收的能量主要激發(fā)分子振動，從而導(dǎo)致平移能量增加，引起測量單元內(nèi)壓力的周期性變化，可以用MEMS麥克風測量。

“在吸收后，光子的能量首先轉(zhuǎn)移到 CO 2分子，然后轉(zhuǎn)移到周圍的分子，”Gysel 說。“吸收的能量導(dǎo)致微觀壓力增加。由于光腔內(nèi)部發(fā)生了數(shù)百萬次吸收事件，因此壓力增加成為一種宏觀現(xiàn)象。通過調(diào)制 IR 發(fā)射器，我們以明確定義的頻率誘導(dǎo)壓力增加和減少——這只不過是聲波。雖然聲音的頻率由 IR 發(fā)射器調(diào)制頻率給出，但聲音的幅度與 CO 2濃度成正比。”

麥克風信號隨后用于測量測量單元中的 CO 2分子數(shù)量，并可用于計算 CO 2濃度。

圖 5：PASens 技術(shù)的功能。在傳感器的頂部，有灰塵過濾器。(圖片：Sensirion)

圖 6：SCD40 傳感器(圖片：Sensirion)

圖 7：SCD40 傳感器及其功能(圖片：Sensirion)

“可以使用 MEMS 麥克風測量光聲信號的幅度，”Gysel 說。“然后使用內(nèi)置處理器通過先進的信號處理算法計算CO 2濃度。光聲測量原理的美妙之處在于傳感器靈敏度大多與光腔尺寸無關(guān)。因此，我們可以使用這項技術(shù)在不影響傳感器性能的情況下縮小傳感器尺寸。”

SCD40 結(jié)合了最小尺寸和最大性能，代表了傳感和 MEMS 技術(shù)的結(jié)合。SCD40 為集成和應(yīng)用開辟了許多新的可能性。它提供 0 ppm 至 40,000 ppm 的測量范圍、完全校準和線性化的輸出以及數(shù)字 I 2 C 接口。

“也許 SCD40 的最大優(yōu)勢在于我們在內(nèi)部設(shè)計和生產(chǎn)所有關(guān)鍵組件，”Gysel 說。“這使我們能夠?qū)崿F(xiàn)最高性能，同時保持具有成本效益的 BOM 結(jié)構(gòu)。例如，基于我們的 CMOSens 技術(shù)的主動調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器可確保最高的長期穩(wěn)定性，并且比現(xiàn)有的現(xiàn)成產(chǎn)品更具成本效益。

“傳感器的準確性非常重要，原因有兩個，”他補充道。“一方面，它使我們的客戶能夠設(shè)計出性能卓越的產(chǎn)品。另一方面，一些客戶需要高精度才能符合規(guī)范和標準——例如，這在 HVAC 市場中非常重要。我們的 SCD40 的精度指定為 ±30 ppm 加上讀數(shù)的 3%，這是市場上可以找到的最佳精度之一。另一個關(guān)鍵規(guī)格是 10 年的傳感器壽命，這證明了我們在傳感器可靠性方面的高標準。”

審核編輯：湯梓紅