推動人類尋求創(chuàng)新的主要目標(biāo)之一是改善生活條件的愿望。在一個以技術(shù)進(jìn)步更快為特征的積極實(shí)驗(yàn)時期，主要趨勢是通過使用明確旨在簡化日常行為的現(xiàn)代技術(shù)系統(tǒng)來提高生活質(zhì)量，從而為人類提供有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的必要工具。

確保高室內(nèi)空氣質(zhì)量首先要了解空氣中的物質(zhì)，以便您可以識別污染源，然后相應(yīng)地應(yīng)對或消除它們。智能建筑空氣質(zhì)量傳感器系統(tǒng)利用人工智能 (AI) 等最新進(jìn)展為用戶提供維持健康空氣所需的知識。通常監(jiān)測的參數(shù)包括溫度、濕度和一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO 2 )、細(xì)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(fā)性有機(jī)化合物 (VOC)例如一些常見的建筑和清潔產(chǎn)品排放的那些（圖 1）。

監(jiān)測室內(nèi)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(xiǎn)的。如果建筑物沒有適當(dāng)通風(fēng)，僅其居住者的呼吸行為就會耗盡室內(nèi)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?xì)庠罨驘焽瑁┮部梢栽黾邮覂?nèi) CO 2濃度。暴露于 CO 2中，即使?jié)舛嚷愿哂诳諝庵械恼舛?，也會?dǎo)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(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器外，CO 2傳感器還用于醫(yī)療儀器以監(jiān)測肺功能和工業(yè)過程監(jiān)測器。
根據(jù) MarketWatch 的數(shù)據(jù)，到 2024 年， CO 2傳感器市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到 10%，當(dāng)年總價(jià)值將達(dá)到 9.1 億美元，高于 2019 年估計(jì)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(shù)的產(chǎn)品。

圖 1：帶有環(huán)境傳感器的智能家居框圖。（圖片：村田）

PAS 和 NDIR 基礎(chǔ)知識

光聲光譜基于光聲效應(yīng)：當(dāng)材料被光脈沖照射時，它會發(fā)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(shù)都可以進(jìn)行測量，從而使靈敏度隨著光源強(qiáng)度的增加而增加。

隨著高靈敏度麥克風(fēng)的發(fā)展和其他電子技術(shù)的進(jìn)步，研究人員在測量氣體樣品（主要是 CO 2 ）的 PAS 技術(shù)方面取得了巨大進(jìn)步. 當(dāng)樣品吸收調(diào)制的紅外光束時，入射光會產(chǎn)生熱量。吸收電磁輻射的氣態(tài)分子被激發(fā)到更高的電子量子態(tài)。通常，這種量子態(tài)的減少是通過熒光或碰撞發(fā)生的。碰撞產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致溫度升高。以聲頻調(diào)制輻射源會導(dǎo)致溫度周期性地變化，從而導(dǎo)致周期性的壓力變化，可以作為聲學(xué)信號觀察到。因此可以使用靈敏的麥克風(fēng)來檢測氣相中的這種效應(yīng)。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(jiān)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(dǎo)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)設(shè)備的基于 PAS 的檢測器

用于 CO 2檢測的傳感器正被設(shè)計(jì)到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的智能設(shè)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(shè)備，以便更快地集成到物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)空氣質(zhì)量設(shè)備中，例如空氣凈化器、恒溫器、氣象站和個人助理。圖 2）。據(jù)該公司稱，與市場上的其他傳感器相比，XENSIV PAS210 節(jié)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(fēng)等應(yīng)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(shí)現(xiàn)了一個用于檢測的靈敏 MEMS 麥克風(fēng)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(shù)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(shù)的 ±3%。表面貼裝設(shè)計(jì)使物聯(lián)網(wǎng)平臺的使用實(shí)現(xiàn)了顯著的小型化。英飛凌表示，該產(chǎn)品基于公司廣泛的 PAS 相關(guān)技術(shù)組合，將為能夠監(jiān)測其他氣體的傳感器鋪平道路。

審核編輯 黃昊宇