Sensirion再次成為環(huán)境傳感器解決方案創(chuàng)新先鋒，推出占地僅需1平方厘米的SCD4x創(chuàng)新微型CO?傳感器。此次顛覆性創(chuàng)新以光聲傳感器技術(shù)為原理，尺寸降至最小的同時(shí)保證性能最優(yōu)化，為更多集成和應(yīng)用開辟新的空間。SCD4x具有無與倫比的高性價(jià)比，尤其適合批量生產(chǎn)和成本敏感應(yīng)用。

SCD30 (NDIR)和SCD4x (PASens?技術(shù)) 尺寸對(duì)比/來源：Sensirion AG

隨著人們的環(huán)境意識(shí)增強(qiáng)，不僅衣食住行方式發(fā)生變化，建筑設(shè)計(jì)也受到影響。為節(jié)約自然資源（主要用于取暖），現(xiàn)代房屋設(shè)計(jì)往往力求高能效。這會(huì)導(dǎo)致建筑越來越密閉，隔熱性也比傳統(tǒng)建筑更好。氣密性高的建筑更不容易透過墻體、屋頂、窗戶、裂縫等實(shí)現(xiàn)氣流交換，從而降低室內(nèi)空氣質(zhì)量。而室內(nèi)空氣質(zhì)量降低又會(huì)影響人們的工作效率和健康福祉。因此，室內(nèi)必須配備有效通風(fēng)系統(tǒng)，才能保證足夠的新鮮空氣，從而創(chuàng)造健康高效的環(huán)境。由于通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和引入新風(fēng)時(shí)需要大量能源，所以必須確保系統(tǒng)具有高能效。按需控制氣流交換的通風(fēng)策略能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)。
 

人類是室內(nèi)CO?濃度增加以及其他污染產(chǎn)生的主要原因。室內(nèi)人數(shù)以及人類活動(dòng)（如做飯、運(yùn)動(dòng)、娛樂）不同，對(duì)新鮮空氣的要求也會(huì)隨之變化。人所在的密閉建筑，CO?濃度越高，空氣質(zhì)量越低。因此CO?濃度被視為空氣質(zhì)量指數(shù)之一，也可作為通風(fēng)系統(tǒng)控制參數(shù)使用——基于室內(nèi)空氣質(zhì)量測(cè)量結(jié)果按需通風(fēng)，既能保證環(huán)境健康舒適，又能實(shí)現(xiàn)高能效。
 

基于獨(dú)特PASens?技術(shù)的Sensirion新款SCD4x傳感器正在革新CO?傳感器市場(chǎng)。PASens?技術(shù)采用光聲測(cè)量原理。它不同于目前常見的非分散紅外技術(shù)(NDIR)，傳感器靈敏度與光學(xué)腔大小無關(guān)，因此可在保證傳感器性能的同時(shí)將CO?傳感器尺寸減至最小。顧客得以實(shí)現(xiàn)靈活緊湊且性價(jià)比高的集成方式，也不會(huì)再因安裝空間受限無法使用CO?傳感器。另外，由于集成電子元件數(shù)量大幅減少，傳感器成本結(jié)構(gòu)優(yōu)化，售價(jià)也大大降低。得益于其微型尺寸和優(yōu)化的成本結(jié)構(gòu)，SCD4x可集成至更多新產(chǎn)品和大批量應(yīng)用，比如緊湊型通風(fēng)系統(tǒng)、空氣交換器、風(fēng)管探頭，空氣凈化器，恒溫器，空調(diào)機(jī)組和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀。

室內(nèi)空氣CO2濃度增加的影響

二氧化碳是人體代謝的主要產(chǎn)物之一。食物攝入后，碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)在氧氣的作用下轉(zhuǎn)化為二氧化碳，隨后通過呼吸再次傳遞。盡管CO?呼出后會(huì)很快稀釋，但密閉空間內(nèi)的CO?濃度仍會(huì)迅速上升。尤其是研討會(huì)區(qū)域、教室等人流量大的地方，以及汽車駕駛室等小空間，CO?濃度可能在短短幾分鐘內(nèi)迅速增加十倍。相對(duì)來說，大氣中的CO?濃度與位置無關(guān)，一般在400ppm左右，但在通風(fēng)不足的室內(nèi)也可能達(dá)到5000ppm。CO?累積會(huì)使人體代謝更加復(fù)雜，CO?濃度達(dá)1000ppm時(shí)則可能出現(xiàn)困倦和注意力難以集中。

考慮到CO?對(duì)人體代謝的特殊影響，有必要對(duì)CO?分子進(jìn)行選擇性測(cè)量。針對(duì)室內(nèi) CO?，通過紅外光吸收對(duì)單個(gè)原子的相對(duì)振蕩進(jìn)行選擇性激發(fā)較為合適。圖1為大氣中典型氣體的不同吸收帶。

圖1：典型大氣氣體吸收帶（來源：Hodgkinson & Tatam, Meas. Sci. Technol. 24 (2013) 012004）

圖中顯示，波長(zhǎng)為4, 26μm的 CO?有一條非常明顯的吸收線，且與其它氣體基本不重合，因此非常適合選擇性測(cè)量。與NDIR氣體傳感器（如Sensirion SCD30）不同，光聲傳感器無需檢測(cè)透射光亮，而是通過光聲效應(yīng)間接檢測(cè)氣體吸收光量。光聲效應(yīng)一般指氣體吸收光后壓力增加。
 

被紅外輻射激發(fā)的分子將振動(dòng)激發(fā)轉(zhuǎn)移至其它分子，從而導(dǎo)致平動(dòng)能增加，即局部溫度升高。封閉體積內(nèi)，平動(dòng)能增加會(huì)導(dǎo)致壓力增加，從而被壓力傳感器捕捉。圖2為非諧振式光聲氣體傳感器的一般設(shè)計(jì)。

圖2：非諧振式光聲氣體傳感器裝置示意圖（來源：Sensirion AG）

PASens?技術(shù)

光聲傳感器關(guān)鍵元件包括：由窄帶紅外光照射的封閉光聲腔、檢測(cè)光聲腔壓力變化的麥克風(fēng)、以及與外部進(jìn)行氣體交換的光聲池開口。寬帶紅外發(fā)射器發(fā)出光源，經(jīng)帶通濾光片后形成窄帶紅外光。
 

通過光聲傳感器（如SCD4x）形成信號(hào)確定CO?濃度的原理如下：
 

• 打開紅外光源，釋放窄帶紅外光照射光聲腔，激發(fā)待測(cè)氣體分子（本文為CO?）振蕩。

• 一段時(shí)間后（通常為幾毫秒），振蕩消退，氣體溫度升高，壓力隨之上升。

• 與氣體分子振蕩激發(fā)和消退的時(shí)間相比，光聲腔內(nèi)的壓力平衡時(shí)間更短，因此可利用與光聲腔相連的麥克風(fēng)記錄壓力上升情況。 

• 10ms后，光源關(guān)閉，光聲池與環(huán)境達(dá)到熱平衡，溫度和壓力隨之下降，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。
  
  

為提高生成信號(hào)信噪比，以上測(cè)量操作需重復(fù)多次。因此，測(cè)試采用調(diào)制光源，產(chǎn)生的周期性壓力變化可視為聲波。與首選燈泡作為光源的SCD30不同，SCD4x選用Sensirion基于MEMS技術(shù)的光源發(fā)射器。它可以迅速調(diào)制光源，而且由于主動(dòng)控制光源所以更具長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)傳感器微型化和避免受環(huán)境影響，所有SCD4x零部件均安裝在光聲池內(nèi)（見圖3）。

圖3：Sensirion PASens? 技術(shù)關(guān)鍵部件（來源：Sensirion AG）

總結(jié) 

Sensirion再次走在環(huán)境傳感技術(shù)創(chuàng)新前沿，打造更健康高效的環(huán)境。SCD40打破CO?傳感器尺寸限制，繼續(xù)書寫SCD30的成功故事。SCD4x創(chuàng)新微型CO?傳感器兼具尺寸和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，可集成至各種家用設(shè)備，且性能比傳統(tǒng)NDIR傳感器更優(yōu)。圖為可配置Sensirion創(chuàng)新CO?傳感器解決方案的示范應(yīng)用/設(shè)備。

暖通空調(diào)應(yīng)用概述（來源：Sensirion AG）

這項(xiàng)環(huán)境測(cè)量新技術(shù)突顯出Sensirion在環(huán)境傳感器技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)地位。SCD4x CO?傳感器所體現(xiàn)出的創(chuàng)新水平也得到各大獎(jiǎng)項(xiàng)認(rèn)可，包括SensorsExpo 2019“最佳傳感器”，以及入圍AHR 2020貿(mào)易展“最具創(chuàng)新產(chǎn)品”和2020 AMA創(chuàng)新獎(jiǎng)。

作者：Marco Gysel，Sensirion CO?傳感器產(chǎn)品經(jīng)理