一文解析新型SCD40传感器和光声技术

室内高CO2浓度通常是人类存在的结果。如果环境通风不良，我们的身体会吸入氧气并释放出CO2，该CO2会积聚在室内。

而且，现代建筑的致密绝热间接地导致二氧化碳的增加。例如，减少能耗和供暖或制冷成本的致密门窗以减少与外界的空气交换为代价。因此，结果是CO2浓度增加，导致持续需要通风。在这些情况下，通常使用CO2传感器来调节通风系统。

高CO2含量会危害人类健康和生产力。将CO2传感器与空气交换器和智能通风系统结合使用，可以以最节能和人性化的方式调节通风。此外，CO2传感器在监测室内空气质量中起着至关重要的作用，因此可以集成到空气净化器，智能恒温器和其他智能家居产品中。

二氧化碳浓度超过百万分之一（ppm）1,000时，会降低生产率，并可能使人昏昏欲睡。当CO2浓度高于2,000 ppm时，一些人开始头痛。让我们考虑一下，在一个密闭的房间（例如教室拥挤）中，许多人的存在和通风不良会产生高达5,000 ppm的二氧化碳。

《纽约时报》说：“二氧化碳含量越高，应试者的表现就越差；在2,500 ppm时，他们的分数通常比在1,000 ppm时差很多。”此外，“如果没有专门的传感器，当您在一个小房间里徘徊长时间开会时，您实际上无法知道正在积聚多少二氧化碳。”

商业和住宅部门中的空气交换器和智能通风系统使用CO2传感器以最节能和人性化的方式调节通风。集成的CO2传感器为空气质量和节能做出了巨大贡献。用于CO2传感器的空调电子设备还可以监视空气质量趋势，以及在不依赖于我们的感知的情况下做出决策（图1）。

SensirionCO2传感器产品经理Marco Gysel说：“公众对室内CO2含量的意识正在提高：公共和私营部门越来越多地采取措施来监测和抵消高CO2浓度。”“大多数举措都集中在教室，大学和商业办公楼上，但住宅公寓对CO2传感的需求也在增长。当局和公司开始意识到，学生和工人认知能力下降的代价是很高的。”

图1：CO2对人类决策绩效的影响（图片：Environmental Health Perspectives。120（12）。doi：10.1289 / ehp.1104789）

新型SCD40传感器和光声技术

SCD40小型化的CO2传感器为产品设计提供了新方法，并将为各种新型传感应用奠定基础。Sensirion的经验使它能够改进其CO2传感器技术的最新创新，提供了一种新设备，该设备比其前身SCD30的体积小七分之一。光声检测原理可在不影响性能的情况下减小SCD30中使用的光学腔的尺寸。

最先进的CO2传感器（例如Sensirion的SCD30）基于非分散红外（NDIR）光学检测原理。由于其尺寸和成本，这些NDIR传感器的使用仅限于少数应用。

NDIR型传感器是光学传感器，经常用于气体分析。主要组件是带有波长滤光片的红外光源，样气室和红外检测器（图2和3）。通过照射穿过样品池（包含CO2）的红外光束并测量所需波长处的样品吸收的红外光量，NDIR检测器可以测量样品中CO2的体积浓度。

基于NDIR原理的传感器的灵敏度与光束路径成正比。路径的大量减少会导致其性能受损，从而限制了该技术的小型化潜力。此外，基于NDIR原理的传感器由于其尺寸，结构和大量分立组件而没有经济的BOM结构。

Gysel说：“就小型化而言，NDIR技术似乎已达到CO2传感器的极限，因为传感器的灵敏度与光束路径长度成正比，因此与传感器的尺寸成正比。”“ Sensirion始终旨在通过在不影响性能的前提下使组件更小，更具成本效益来破坏传感器市场。对于CO2感测，我们认为光声技术是最有前途的方法：除了减小CO2传感器的尺寸和成本之外，该技术还允许SMT组装代替费力的通孔焊接。这三个因素相结合，有可能开拓新的CO2感应市场。我个人认为，光声技术有潜力在未来五到十年内取代NDIR，成为标准的CO2传感技术。”

图2：SCD30技术（图片：Sensirion）

图3：NDIR原理（图片：Sensirion）

新型SCD40基于Sensirion的光声PASens技术。光声检测原理可在不影响性能的情况下使传感器小型化。这是因为传感器的灵敏度与光学腔的大小无关。通过同时使用Sensirion的CMOSens技术进行小型化，可以将这两种技术结合起来并创建一种新型的传感器（图4）。

图4：NDIR（SCD30）和PASens Technology（SCD40）的尺寸比较（图片：Sensirion）

光声原理相对简单：对应于CO2分子吸收带的4.26 µm调制窄带光信号在一个狭小的封闭空间内发射。测量池中的CO2分子吸收部分照射的光。CO2分子的吸收能量主要激发分子震动，这会导致平移能量的增加，从而导致测量单元中压力的周期性变化，可以使用MEMS麦克风进行测量。

吉塞尔说：“吸收后，光子的能量首先转移到CO2分子，然后转移到周围的分子。”“吸收的能量导致微观压力增加。由于光学腔内部发生数百万个吸收事件，因此压力增加成为宏观现象。通过调制IR发射器，我们以明确定义的频率感应出压力的增加和减少-仅仅是声波。声音的频率由红外发射器调制频率决定，但声音的幅度与CO2浓度成正比。”

传声器信号然后用于测量测量单元中的CO2分子数量，并可用于计算CO2浓度。

图5：PASens技术的功能。在传感器的顶部，有灰尘过滤器。图片：Sensirion）

图6：SCD40传感器（图片：Sensirion）

图7：SCD40传感器及其功能（图片：Sensirion）

“可以使用MEMS麦克风来测量光声信号的幅度，” Gysel说。“然后使用内置处理器通过高级信号处理算法来计算CO2浓度。光声测量原理的优点在于，传感器的灵敏度主要与光腔尺寸无关。因此，我们可以使用这项技术来缩小传感器的尺寸，而不会影响传感器的性能。”

SCD40结合了最小尺寸和最高性能，代表了传感技术和MEMS技术的结合。SCD40为集成和应用打开了许多新的可能性。它提供0 ppm至40,000 ppm的测量范围，完全校准和线性化的输出以及数字I2C接口。

Gysel说：“也许SCD40的最大资产就是我们在内部设计和生产所有关键组件。”“这使我们能够在保持成本效益的BOM结构的同时实现最高的性能。例如，基于我们CMOSens技术的主动调节型IR发射器可确保最高的长期稳定性，并且比现有的现成产品具有更高的成本效益。

他补充说：“传感器的准确性非常重要，原因有两个。”“一方面，它使我们的客户能够设计出性能卓越的产品。另一方面，一些客户需要高精度才能符合规范和标准-例如，这在HVAC市场中非常关键。我们的SCD40的精度规定为±50 ppm加上读数的5％，这是市场上可以找到的最佳精度之一。另一个关键指标是传感器的使用寿命为10年，这证明了我们在传感器可靠性方面的高标准。