用于智能應用的 CO2 傳感器

推動人類尋求創新的主要目標之一是改善生活條件的愿望。在一個以技術進步更快為特征的積極實驗時期，主要趨勢是通過使用明確旨在簡化日常行為的現代技術系統來提高生活質量，從而為人類提供有效實現目標的必要工具。

確保高室內空氣質量首先要了解空氣中的物質，以便您可以識別污染源，然后相應地應對或消除它們。智能建筑空氣質量傳感器系統利用人工智能 (AI) 等最新進展為用戶提供維持健康空氣所需的知識。通常監測的參數包括溫度、濕度和一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO 2 )、細顆粒物 (PM 2.5) 和粗顆粒物 (PM 10) 的含量，例如灰分和花粉，以及揮發性有機化合物 (VOC)例如一些常見的建筑和清潔產品排放的那些（圖 1）。

監測室內空氣中有毒化合物（如 CO）的重要性是顯而易見的，但即使 CO 2在較高濃度下也可能是危險的。如果建筑物沒有適當通風，僅其居住者的呼吸行為就會耗盡室內空氣中的氧氣并將CO 2濃度增加到不健康的水平。燃燒（例如，來自燃氣灶或煙囪）也可以增加室內 CO 2濃度。暴露于 CO 2中，即使濃度略高于空氣中的正常濃度，也會導致頭痛、嗜睡和惡心；更高水平的接觸可能會危及生命。

除了室內空氣質量監測器外，CO 2傳感器還用于醫療儀器以監測肺功能和工業過程監測器。
根據 MarketWatch 的數據，到 2024 年， CO 2傳感器市場的復合年增長率將達到 10%，當年總價值將達到 9.1 億美元，高于 2019 年估計的 5.8 億美元。最近推出的 CO 2傳感器包括基于光聲光譜 (PAS) 和非色散紅外 (NDIR) 技術的產品。

圖 1：帶有環境傳感器的智能家居框圖。（圖片：村田）

PAS 和 NDIR 基礎知識

光聲光譜基于光聲效應：當材料被光脈沖照射時，它會發出與光的頻率相匹配的聲波。PAS 檢測樣品中隨著壓力變化的周期性溫度波動。無論樣品的形狀如何，該技術都可以進行測量，從而使靈敏度隨著光源強度的增加而增加。

隨著高靈敏度麥克風的發展和其他電子技術的進步，研究人員在測量氣體樣品（主要是 CO 2 ）的 PAS 技術方面取得了巨大進步. 當樣品吸收調制的紅外光束時，入射光會產生熱量。吸收電磁輻射的氣態分子被激發到更高的電子量子態。通常，這種量子態的減少是通過熒光或碰撞發生的。碰撞產生的能量轉移導致溫度升高。以聲頻調制輻射源會導致溫度周期性地變化，從而導致周期性的壓力變化，可以作為聲學信號觀察到。因此可以使用靈敏的麥克風來檢測氣相中的這種效應。直接測量吸收（與濃度成正比）。這意味著 PAS 非常精確，并且可以在單個測量室中同時監測所有氣體。

非色散紅外 (NDIR) 傳感器是用于測量 CO 2的最常見類型。在 NDIR 中，紅外燈將光波通過裝有空氣樣本的管子引導到紅外光檢測器前面的濾光片。檢測器測量通過濾光片的光量。燈產生的 4.2 微米紅外輻射帶非常接近 CO 2的 4.26 微米吸收帶。

物聯網設備的基于 PAS 的檢測器

用于 CO 2檢測的傳感器正被設計到物聯網 (IoT) 的智能設備中。憑借其基于光聲光譜的新型 XENSIV PAS210，英飛凌科技旨在用小尺寸單元取代笨重且昂貴的設備，以便更快地集成到物聯網室內空氣質量設備中，例如空氣凈化器、恒溫器、氣象站和個人助理。圖 2）。據該公司稱，與市場上的其他傳感器相比，XENSIV PAS210 節省了約 75% 的電路板空間。新傳感器可用于智能家居和樓宇自動化控制通風等應用。

圖 2：XENSIV PAS210 顯著降低了電路板空間要求。（圖片：英飛凌）

XENSIV PAS210 實現了一個用于檢測的靈敏 MEMS 麥克風和用于處理輸出的微控制器，為 I2C、UART 或 PWM 串行接口提供 ppm 濃度讀數和編碼。CO 2傳感器覆蓋范圍為 0 ppm 至 10,000 ppm，精度為 ±30 ppm 或讀數的 ±3%。表面貼裝設計使物聯網平臺的使用實現了顯著的小型化。英飛凌表示，該產品基于公司廣泛的 PAS 相關技術組合，將為能夠監測其他氣體的傳感器鋪平道路。

審核編輯 黃昊宇