【導讀】高CO2含量會(huì )危害人類(lèi)健康和生產(chǎn)力。將CO2傳感器與空氣交換器和智能通風(fēng)系統結合使用，可以以最節能和人性化的方式調節通風(fēng)。此外，CO2傳感器在監測室內空氣質(zhì)量中起著(zhù)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。
室內高CO2濃度通常是人類(lèi)存在的結果。如果環(huán)境通風(fēng)不良，我們的身體會(huì )吸入氧氣并釋放出CO2，該CO2會(huì )積聚在室內。
而且，現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(mén)窗以減少與外界的空氣交換為代價(jià)。因此，結果是CO2濃度增加，導致持續需要通風(fēng)。在這些情況下，通常使用CO2傳感器來(lái)調節通風(fēng)系統。
高CO2含量會(huì )危害人類(lèi)健康和生產(chǎn)力。將CO2傳感器與空氣交換器和智能通風(fēng)系統結合使用，可以以最節能和人性化的方式調節通風(fēng)。此外，CO2傳感器在監測室內空氣質(zhì)量中起著(zhù)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(guò)百萬(wàn)分之一（ppm）1,000時(shí)，會(huì )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(shí)，一些人開(kāi)始頭痛。讓我們考慮一下，在一個(gè)密閉的房間（例如教室擁擠）中，許多人的存在和通風(fēng)不良會(huì )產(chǎn)生高達5,000 ppm的二氧化碳。
《紐約時(shí)報》說(shuō)：“二氧化碳含量越高，應試者的表現就越差；在2,500 ppm時(shí)，他們的分數通常比在1,000 ppm時(shí)差很多。”此外，“如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的傳感器，當您在一個(gè)小房間里徘徊長(cháng)時(shí)間開(kāi)會(huì )時(shí)，您實(shí)際上無(wú)法知道正在積聚多少二氧化碳。”
商業(yè)和住宅部門(mén)中的空氣交換器和智能通風(fēng)系統使用CO2傳感器以最節能和人性化的方式調節通風(fēng)。集成的CO2傳感器為空氣質(zhì)量和節能做出了巨大貢獻。用于CO2傳感器的空調電子設備還可以監視空氣質(zhì)量趨勢，以及在不依賴(lài)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(shuō)：“公眾對室內CO2含量的意識正在提高：公共和私營(yíng)部門(mén)越來(lái)越多地采取措施來(lái)監測和抵消高CO2濃度。”“大多數舉措都集中在教室，大學(xué)和商業(yè)辦公樓上，但住宅公寓對CO2傳感的需求也在增長(cháng)。當局和公司開(kāi)始意識到，學(xué)生和工人認知能力下降的代價(jià)是很高的。”
圖1：CO2對人類(lèi)決策績(jì)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)品設計提供了新方法，并將為各種新型傳感應用奠定基礎。Sensirion的經(jīng)驗使它能夠改進(jìn)其CO2傳感器技術(shù)的最新創(chuàng )新，提供了一種新設備，該設備比其前身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(xué)腔的尺寸。
最先進(jìn)的CO2傳感器（例如Sensirion的SCD30）基于非分散紅外（NDIR）光學(xué)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應用。
NDIR型傳感器是光學(xué)傳感器，經(jīng)常用于氣體分析。主要組件是帶有波長(cháng)濾光片的紅外光源，樣氣室和紅外檢測器（圖2和3）。通過(guò)照射穿過(guò)樣品池（包含CO2）的紅外光束并測量所需波長(cháng)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(huì )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，結構和大量分立組件而沒(méi)有經(jīng)濟的BOM結構。
Gysel說(shuō)：“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(cháng)度成正比，因此與傳感器的尺寸成正比。”“ Sensirion始終旨在通過(guò)在不影響性能的前提下使組件更小，更具成本效益來(lái)破壞傳感器市場(chǎng)。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(gè)因素相結合，有可能開(kāi)拓新的CO2感應市場(chǎng)。我個(gè)人認為，光聲技術(shù)有潛力在未來(lái)五到十年內取代NDIR，成為標準的CO2傳感技術(shù)。”
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(xué)腔的大小無(wú)關(guān)。通過(guò)同時(shí)使用Sensirion的CMOSens技術(shù)進(jìn)行小型化，可以將這兩種技術(shù)結合起來(lái)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(jiǎn)單：對應于CO2分子吸收帶的4.26 µm調制窄帶光信號在一個(gè)狹小的封閉空間內發(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(dòng)，這會(huì )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(fēng)進(jìn)行測量。
吉塞爾說(shuō)：“吸收后，光子的能量首先轉移到CO2分子，然后轉移到周?chē)姆肿印?rdquo;“吸收的能量導致微觀(guān)壓力增加。由于光學(xué)腔內部發(fā)生數百萬(wàn)個(gè)吸收事件，因此壓力增加成為宏觀(guān)現象。通過(guò)調制IR發(fā)射器，我們以明確定義的頻率感應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(guò)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(fēng)來(lái)測量光聲信號的幅度，” Gysel說(shuō)。“然后使用內置處理器通過(guò)高級信號處理算法來(lái)計算CO2濃度。光聲測量原理的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器的靈敏度主要與光腔尺寸無(wú)關(guān)。因此，我們可以使用這項技術(shù)來(lái)縮小傳感器的尺寸，而不會(huì )影響傳感器的性能。”
SCD40結合了最小尺寸和最高性能，代表了傳感技術(shù)和MEMS技術(shù)的結合。SCD40為集成和應用打開(kāi)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(xiàn)性化的輸出以及數字I2C接口。
Gysel說(shuō)：“也許SCD40的最大資產(chǎn)就是我們在內部設計和生產(chǎn)所有關(guān)鍵組件。”“這使我們能夠在保持成本效益的BOM結構的同時(shí)實(shí)現最高的性能。例如，基于我們CMOSens技術(shù)的主動(dòng)調節型IR發(fā)射器可確保最高的長(cháng)期穩定性，并且比現有的現成產(chǎn)品具有更高的成本效益。
他補充說(shuō)：“傳感器的準確性非常重要，原因有兩個(gè)。”“一方面，它使我們的客戶(hù)能夠設計出性能卓越的產(chǎn)品。另一方面，一些客戶(hù)需要高精度才能符合規范和標準-例??如，這在HVAC市場(chǎng)中非常關(guān)鍵。我們的SCD40的精度規定為±30 ppm加上讀數的3％，這是市場(chǎng)上可以找到的最佳精度之一。另一個(gè)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。”
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