二氧化碳光声传感技术

室内 CO 2浓度高通常是人类存在的结果。我们的身体吸入氧气并排放二氧化碳，如果环境通风不畅，二氧化碳会在室内积聚。

而且，现代建筑密集的隔热层间接导致二氧化碳的增加。例如，减少消耗和加热或冷却成本的密集门窗是以减少与外界的空气交换为代价的。因此，结果是 CO 2浓度增加，导致持续需要通风。正是在这些情况下，CO 2传感器通常用于调节通风系统。

高 CO 2水平会损害人类健康和生产力。将 CO 2传感器与空气交换器和智能通风系统相结合，可以以最节能和人性化的方式调节通风。此外，CO 2传感器在监测室内空气质量方面发挥着重要作用，因此可以集成到空气净化器和智能恒温器等智能家居产品中。

二氧化碳浓度超过百万分之 1,000 (ppm) 会降低生产力，并可能导致人类嗜睡。当CO 2浓度高于 2,000 ppm 时，一些人开始头痛。让我们考虑一下，在一个封闭的房间里，比如一个拥挤的教室，很多人的存在和通风不良会产生高达 5,000 ppm 的二氧化碳水平。

《纽约时报》说：“二氧化碳含量越高，考生的表现越差;在 2,500 ppm 时，他们的分数通常比 1,000 ppm 时差得多。” 此外，“如果没有专门的传感器，当你蹲在一个小房间里进行长时间的会议时，你实际上无法知道有多少二氧化碳正在积聚。”

商业和住宅领域的空气交换器和智能通风系统使用 CO 2传感器以最节能和人性化的方式调节通风。集成的 CO 2传感器为空气质量和节能做出了巨大贡献。用于 CO 2传感器的空调电子设备还可以监测空气质量趋势，以及在不依赖我们感官的情况下做出决策(图 1)。

Sensirion CO 2传感器产品经理 Marco Gysel 表示： “公众对室内 CO 2水平的认识正在提高：公共和私营部门采取了越来越多的举措来监测和抵消高 CO 2浓度。” “大多数举措都集中在教室、大学和商业办公楼，但住宅公寓对 CO 2传感的需求也在不断增长。当局和公司开始意识到学生和工人认知能力下降的代价很高。”

图 1：CO 2对人类决策绩效的影响(图片：Environmental Health Perspectives. 120(12).doi:10.1289/ehp.1104789)

新型 SCD40 传感器和光声技术

SCD40 微型 CO 2传感器为产品设计提供了新方法，并将为广泛的新传感应用奠定基础。Sensirion 的经验使其能够改进其在 CO 2传感器技术方面的最新创新，提供比其前身 SCD30 小七倍的新设备。光声检测原理在不影响性能的情况下减小了 SCD30 中使用的光学腔的尺寸。

最先进的 CO 2传感器(例如 Sensirion 的 SCD30)基于非色散红外 (NDIR) 光学检测原理。由于尺寸和成本的原因，这些 NDIR 传感器的使用仅限于少数应用。

NDIR 型传感器是光学传感器，常用于气体分析。主要部件是带波长滤光片的红外源、样气室和红外检测器(图 2和图3)。通过照射穿过样品池(包含 CO 2)的红外光束并测量样品在所需波长处吸收的红外线量，NDIR 检测器可以测量样品中 CO 2的体积浓度。

基于 NDIR 原理的传感器的灵敏度与光束路径成正比。路径的大幅减少会导致其性能受损，从而限制了该技术的小型化潜力。此外，基于 NDIR 原理的传感器由于其尺寸、结构和大量的分立元件，不具备经济的 BOM 结构。

“在小型化方面，NDIR 技术似乎达到了 CO 2传感器的极限，因为传感器灵敏度与光束路径长度成正比，因此也与传感器尺寸成正比，”Gysel 说。“Sensirion 一直致力于通过在不影响性能的情况下使组件更小、更具性价比来颠覆传感器市场。对于 CO 2传感，我们认为光声技术是最有前途的方法：除了减小 CO 2传感器的尺寸和成本外，该技术还允许 SMT 组装以取代繁重的通孔焊接。这三个因素结合起来有可能开辟新的 CO 2传感市场。就个人而言，我相信光声技术有可能在未来 5 到 10 年内取代 NDIR 作为标准 CO 2传感技术。”

图 2：SCD30 技术(图片：Sensirion)

图 3：NDIR 原理(图片：Sensirion)

新的 SCD40 基于 Sensirion 的光声 PASens 技术。光声检测原理允许传感器小型化而不影响性能。这是因为传感器的灵敏度与光学腔的大小无关。通过使用 Sensirion 的 CMOSens 技术进行小型化，可以将这两种技术结合起来并创建一种新型传感器(图 4)。

图 4：NDIR (SCD30) 和 PASens Technology (SCD40) 的尺寸比较(图片：Sensirion)

光声原理比较简单：在封闭的狭小空间内发射对应CO 2分子吸收带的4.26 µm调制窄带光信号。测量池中的 CO 2分子吸收部分照射光。CO 2分子吸收的能量主要激发分子振动，从而导致平移能量增加，引起测量单元内压力的周期性变化，可以用MEMS麦克风测量。

“在吸收后，光子的能量首先转移到 CO 2分子，然后转移到周围的分子，”Gysel 说。“吸收的能量导致微观压力增加。由于光腔内部发生了数百万次吸收事件，因此压力增加成为一种宏观现象。通过调制 IR 发射器，我们以明确定义的频率诱导压力增加和减少——这只不过是声波。虽然声音的频率由 IR 发射器调制频率给出，但声音的幅度与 CO 2浓度成正比。”

麦克风信号随后用于测量测量单元中的 CO 2分子数量，并可用于计算 CO 2浓度。

图 5：PASens 技术的功能。在传感器的顶部，有灰尘过滤器。(图片：Sensirion)

图 6：SCD40 传感器(图片：Sensirion)

图 7：SCD40 传感器及其功能(图片：Sensirion)

“可以使用 MEMS 麦克风测量光声信号的幅度，”Gysel 说。“然后使用内置处理器通过先进的信号处理算法计算CO 2浓度。光声测量原理的美妙之处在于传感器灵敏度大多与光腔尺寸无关。因此，我们可以使用这项技术在不影响传感器性能的情况下缩小传感器尺寸。”

SCD40 结合了最小尺寸和最大性能，代表了传感和 MEMS 技术的结合。SCD40 为集成和应用开辟了许多新的可能性。它提供 0 ppm 至 40,000 ppm 的测量范围、完全校准和线性化的输出以及数字 I 2 C 接口。

“也许 SCD40 的最大优势在于我们在内部设计和生产所有关键组件，”Gysel 说。“这使我们能够实现最高性能，同时保持具有成本效益的 BOM 结构。例如，基于我们的 CMOSens 技术的主动调节红外发射器可确保最高的长期稳定性，并且比现有的现成产品更具成本效益。

“传感器的准确性非常重要，原因有两个，”他补充道。“一方面，它使我们的客户能够设计出性能卓越的产品。另一方面，一些客户需要高精度才能符合规范和标准——例如，这在 HVAC 市场中非常重要。我们的 SCD40 的精度指定为 ±30 ppm 加上读数的 3%，这是市场上可以找到的最佳精度之一。另一个关键规格是 10 年的传感器寿命，这证明了我们在传感器可靠性方面的高标准。”

审核编辑：汤梓红