用于智能应用的 CO2 传感器

推动人类寻求创新的主要目标之一是改善生活条件的愿望。在一个以技术进步更快为特征的积极实验时期，主要趋势是通过使用明确旨在简化日常行为的现代技术系统来提高生活质量，从而为人类提供有效实现目标的必要工具。

确保高室内空气质量首先要了解空气中的物质，以便您可以识别污染源，然后相应地应对或消除它们。智能建筑空气质量传感器系统利用人工智能 (AI) 等最新进展为用户提供维持健康空气所需的知识。通常监测的参数包括温度、湿度和一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO 2 )、细颗粒物 (PM 2.5) 和粗颗粒物 (PM 10) 的含量，例如灰分和花粉，以及挥发性有机化合物 (VOC)例如一些常见的建筑和清洁产品排放的那些（图 1）。

监测室内空气中有毒化合物（如 CO）的重要性是显而易见的，但即使 CO 2在较高浓度下也可能是危险的。如果建筑物没有适当通风，仅其居住者的呼吸行为就会耗尽室内空气中的氧气并将CO 2浓度增加到不健康的水平。燃烧（例如，来自燃气灶或烟囱）也可以增加室内 CO 2浓度。暴露于 CO 2中，即使浓度略高于空气中的正常浓度，也会导致头痛、嗜睡和恶心；更高水平的接触可能会危及生命。

除了室内空气质量监测器外，CO 2传感器还用于医疗仪器以监测肺功能和工业过程监测器。
根据 MarketWatch 的数据，到 2024 年， CO 2传感器市场的复合年增长率将达到 10%，当年总价值将达到 9.1 亿美元，高于 2019 年估计的 5.8 亿美元。最近推出的 CO 2传感器包括基于光声光谱 (PAS) 和非色散红外 (NDIR) 技术的产品。

图 1：带有环境传感器的智能家居框图。（图片：村田）

PAS 和 NDIR 基础知识

光声光谱基于光声效应：当材料被光脉冲照射时，它会发出与光的频率相匹配的声波。PAS 检测样品中随着压力变化的周期性温度波动。无论样品的形状如何，该技术都可以进行测量，从而使灵敏度随着光源强度的增加而增加。

随着高灵敏度麦克风的发展和其他电子技术的进步，研究人员在测量气体样品（主要是 CO 2 ）的 PAS 技术方面取得了巨大进步. 当样品吸收调制的红外光束时，入射光会产生热量。吸收电磁辐射的气态分子被激发到更高的电子量子态。通常，这种量子态的减少是通过荧光或碰撞发生的。碰撞产生的能量转移导致温度升高。以声频调制辐射源会导致温度周期性地变化，从而导致周期性的压力变化，可以作为声学信号观察到。因此可以使用灵敏的麦克风来检测气相中的这种效应。直接测量吸收（与浓度成正比）。这意味着 PAS 非常精确，并且可以在单个测量室中同时监测所有气体。

非色散红外 (NDIR) 传感器是用于测量 CO 2的最常见类型。在 NDIR 中，红外灯将光波通过装有空气样本的管子引导到红外光检测器前面的滤光片。检测器测量通过滤光片的光量。灯产生的 4.2 微米红外辐射带非常接近 CO 2的 4.26 微米吸收带。

物联网设备的基于 PAS 的检测器

用于 CO 2检测的传感器正被设计到物联网 (IoT) 的智能设备中。凭借其基于光声光谱的新型 XENSIV PAS210，英飞凌科技旨在用小尺寸单元取代笨重且昂贵的设备，以便更快地集成到物联网室内空气质量设备中，例如空气净化器、恒温器、气象站和个人助理。图 2）。据该公司称，与市场上的其他传感器相比，XENSIV PAS210 节省了约 75% 的电路板空间。新传感器可用于智能家居和楼宇自动化控制通风等应用。

图 2：XENSIV PAS210 显着降低了电路板空间要求。（图片：英飞凌）

XENSIV PAS210 实现了一个用于检测的灵敏 MEMS 麦克风和用于处理输出的微控制器，为 I²C、UART 或 PWM 串行接口提供 ppm 浓度读数和编码。CO 2传感器覆盖范围为 0 ppm 至 10,000 ppm，精度为 ±30 ppm 或读数的 ±3%。表面贴装设计使物联网平台的使用实现了显着的小型化。英飞凌表示，该产品基于公司广泛的 PAS 相关技术组合，将为能够监测其他气体的传感器铺平道路。

审核编辑 黄昊宇