一文解析新型SCD40傳感器和光聲技術(shù)

室內(nèi)高CO2濃度通常是人類存在的結(jié)果。如果環(huán)境通風不良，我們的身體會吸入氧氣并釋放出CO2，該CO2會積聚在室內(nèi)。

而且，現(xiàn)代建筑的致密絕熱間接地導致二氧化碳的增加。例如，減少能耗和供暖或制冷成本的致密門窗以減少與外界的空氣交換為代價。因此，結(jié)果是CO2濃度增加，導致持續(xù)需要通風。在這些情況下，通常使用CO2傳感器來調(diào)節(jié)通風系統(tǒng)。

高CO2含量會危害人類健康和生產(chǎn)力。將CO2傳感器與空氣交換器和智能通風系統(tǒng)結(jié)合使用，可以以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風。此外，CO2傳感器在監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用，因此可以集成到空氣凈化器，智能恒溫器和其他智能家居產(chǎn)品中。

二氧化碳濃度超過百萬分之一（ppm）1,000時，會降低生產(chǎn)率，并可能使人昏昏欲睡。當CO2濃度高于2,000 ppm時，一些人開始頭痛。讓我們考慮一下，在一個密閉的房間（例如教室擁擠）中，許多人的存在和通風不良會產(chǎn)生高達5,000 ppm的二氧化碳。

《紐約時報》說：“二氧化碳含量越高，應(yīng)試者的表現(xiàn)就越差；在2,500 ppm時，他們的分數(shù)通常比在1,000 ppm時差很多。”此外，“如果沒有專門的傳感器，當您在一個小房間里徘徊長時間開會時，您實際上無法知道正在積聚多少二氧化碳。”

商業(yè)和住宅部門中的空氣交換器和智能通風系統(tǒng)使用CO2傳感器以最節(jié)能和人性化的方式調(diào)節(jié)通風。集成的CO2傳感器為空氣質(zhì)量和節(jié)能做出了巨大貢獻。用于CO2傳感器的空調(diào)電子設(shè)備還可以監(jiān)視空氣質(zhì)量趨勢，以及在不依賴于我們的感知的情況下做出決策（圖1）。

SensirionCO2傳感器產(chǎn)品經(jīng)理Marco Gysel說：“公眾對室內(nèi)CO2含量的意識正在提高：公共和私營部門越來越多地采取措施來監(jiān)測和抵消高CO2濃度?！薄按蠖鄶?shù)舉措都集中在教室，大學和商業(yè)辦公樓上，但住宅公寓對CO2傳感的需求也在增長。當局和公司開始意識到，學生和工人認知能力下降的代價是很高的。”

圖1：CO2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小型化的CO2傳感器為產(chǎn)品設(shè)計提供了新方法，并將為各種新型傳感應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。Sensirion的經(jīng)驗使它能夠改進其CO2傳感器技術(shù)的最新創(chuàng)新，提供了一種新設(shè)備，該設(shè)備比其前身SCD30的體積小七分之一。光聲檢測原理可在不影響性能的情況下減小SCD30中使用的光學腔的尺寸。

最先進的CO2傳感器（例如Sensirion的SCD30）基于非分散紅外（NDIR）光學檢測原理。由于其尺寸和成本，這些NDIR傳感器的使用僅限于少數(shù)應(yīng)用。

NDIR型傳感器是光學傳感器，經(jīng)常用于氣體分析。主要組件是帶有波長濾光片的紅外光源，樣氣室和紅外檢測器（圖2和3）。通過照射穿過樣品池（包含CO2）的紅外光束并測量所需波長處的樣品吸收的紅外光量，NDIR檢測器可以測量樣品中CO2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。路徑的大量減少會導致其性能受損，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)和大量分立組件而沒有經(jīng)濟的BOM結(jié)構(gòu)。

Gysel說：“就小型化而言，NDIR技術(shù)似乎已達到CO2傳感器的極限，因為傳感器的靈敏度與光束路徑長度成正比，因此與傳感器的尺寸成正比?！薄?Sensirion始終旨在通過在不影響性能的前提下使組件更小，更具成本效益來破壞傳感器市場。對于CO2感測，我們認為光聲技術(shù)是最有前途的方法：除了減小CO2傳感器的尺寸和成本之外，該技術(shù)還允許SMT組裝代替費力的通孔焊接。這三個因素相結(jié)合，有可能開拓新的CO2感應(yīng)市場。我個人認為，光聲技術(shù)有潛力在未來五到十年內(nèi)取代NDIR，成為標準的CO2傳感技術(shù)?！?/p>

圖2：SCD30技術(shù)（圖片：Sensirion）

圖3：NDIR原理（圖片：Sensirion）

新型SCD40基于Sensirion的光聲PASens技術(shù)。光聲檢測原理可在不影響性能的情況下使傳感器小型化。這是因為傳感器的靈敏度與光學腔的大小無關(guān)。通過同時使用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)建一種新型的傳感器（圖4）。

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

光聲原理相對簡單：對應(yīng)于CO2分子吸收帶的4.26 μm調(diào)制窄帶光信號在一個狹小的封閉空間內(nèi)發(fā)射。測量池中的CO2分子吸收部分照射的光。CO2分子的吸收能量主要激發(fā)分子振動，這會導致平移能量的增加，從而導致測量單元中壓力的周期性變化，可以使用MEMS麥克風進行測量。

吉塞爾說：“吸收后，光子的能量首先轉(zhuǎn)移到CO2分子，然后轉(zhuǎn)移到周圍的分子?！薄拔盏哪芰繉е挛⒂^壓力增加。由于光學腔內(nèi)部發(fā)生數(shù)百萬個吸收事件，因此壓力增加成為宏觀現(xiàn)象。通過調(diào)制IR發(fā)射器，我們以明確定義的頻率感應(yīng)出壓力的增加和減少-僅僅是聲波。聲音的頻率由紅外發(fā)射器調(diào)制頻率決定，但聲音的幅度與CO2濃度成正比。”

傳聲器信號然后用于測量測量單元中的CO2分子數(shù)量，并可用于計算CO2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麥克風來測量光聲信號的幅度，” Gysel說?！叭缓笫褂脙?nèi)置處理器通過高級信號處理算法來計算CO2濃度。光聲測量原理的優(yōu)點在于，傳感器的靈敏度主要與光腔尺寸無關(guān)。因此，我們可以使用這項技術(shù)來縮小傳感器的尺寸，而不會影響傳感器的性能?！?/p>

SCD40結(jié)合了最小尺寸和最高性能，代表了傳感技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合。SCD40為集成和應(yīng)用打開了許多新的可能性。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I2C接口。

Gysel說：“也許SCD40的最大資產(chǎn)就是我們在內(nèi)部設(shè)計和生產(chǎn)所有關(guān)鍵組件?！薄斑@使我們能夠在保持成本效益的BOM結(jié)構(gòu)的同時實現(xiàn)最高的性能。例如，基于我們CMOSens技術(shù)的主動調(diào)節(jié)型IR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)品具有更高的成本效益。

他補充說：“傳感器的準確性非常重要，原因有兩個。”“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市場中非常關(guān)鍵。我們的SCD40的精度規(guī)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)鍵指標是傳感器的使用壽命為10年，這證明了我們在傳感器可靠性方面的高標準?！?/p>

編輯：hfy