據麥姆斯咨詢報道，CO2（二氧化碳）濃度是衡量室內空氣質量的關鍵指標。良好的空氣質量可以讓身處其中的人員精神更佳、生產效率更高；而CO2濃度過高則代表著室內空氣質量差，其原因往往是由于空氣調節和空氣再循環不足所造成。這種情況可能導致有據可查的病態建筑綜合癥（SBS）等健康問題，細塵、霉菌、花粉、細菌甚至石棉等其它室內毒素也可能對健康產生影響。

CO2限值可預防疾病

多年來，由于人類活動，環境中溫室氣體濃度以及CO2含量已逐漸增加；如今環境中數值略高于400 ppm（0.04%），這代表著健康的新鮮空氣。而在室內，高達1000 ppm（0.1%）CO2濃度仍被認為是可以接受的，通過良好的新鮮空氣供應可實現這一目標。從科學的角度來看，CO2濃度值對健康至關重要，因為較高CO2濃度會對人體產生長期的負面影響。

高濃度CO2對健康的影響

即便CO2濃度在1000 ppm（0.1%） ~ 2000 ppm（0.2%）范圍內，空氣質量差也是顯而易見，人在這樣的環境中會感到疲憊。CO2濃度如果繼續升高，人們會感到悶熱、頭痛、嗜睡、注意力下降以及心率加快。因此，世界衛生組織建議盡可能將室內CO2濃度控制在1000 ppm（0.1%）以內。美國環保局（EPA）明確建議通過室外空氣循環來改善室內空氣質量，可使用暖通空調系統（HVAC），集采暖、換氣、空氣調節于一體。

眾多應用中，CO2傳感器必不可少

考慮到大量應用的需要，市場分析師預計CO2傳感器市場的年增長率達到兩位數也不足為奇。根據Yole發布的《氣體和顆粒物傳感器-2018版》報告，到2022年氣體傳感器市場規模將達到10億美元。CO2傳感器可用于監測室內空氣，以確保家庭、學校、辦公室及商業建筑的通風更佳，從而提高人們的注意力和生產效率。較小尺寸的傳感器也適用于生活領域以及相應的物聯網（IoT）器件，如數字助理、煙霧探測器、路由器、空氣凈化器以及空氣調節系統等，甚至可安裝在筆記本電腦或顯示器中。

2018~2023年氣體傳感器市場規模

模式識別可用來確定房間中的人數以及人們的日常活動水平。這些信息則可為智能建筑提供更佳的空氣調節決策。在暖通空調系統中，CO2傳感器幫其減少了高達50%的電力消耗，這意味著可為整個建筑節能20%到30%。這是因為在普通系統中，空氣循環是以定時器模式保持恒定的新鮮空氣輸入（例如在工作時間）；而基于真實CO2測量的管理則會根據房間的實際情況來調節新鮮空氣的供應。因此大大縮短了暖通空調系統的日常工作周期，節能成效明顯。

其實CO2傳感器還有許多其它應用，如車輛CO2監測可調節駕駛位或整車內空氣質量。在農業中，CO2傳感器可用于控制溫室中的CO2濃度，以實現更高產量且節約成本。CO2傳感器也可用于CO2偵測儀（capnometry）等醫療應用；CO2偵測儀是一種實時測量病人呼出CO2含量的方法，在麻醉領域特別有效。

工業案例則包括在干冰水庫、儲油罐及地下氣源等CO2氣源附近檢測CO2泄漏。智慧城市還可將CO2排放源與車輛密度相聯系，進行交通管理。

如今的CO2傳感器技術

目前，非色散紅外（non- diffusion infrared，NDIR）傳感器應用廣泛，尤其在智能建筑領域應用頗多。然而，由于NDIR傳感器尺寸相對較大、價格昂貴，因此只能在有限的領域中使用。這種傳感器由紅外光源、采樣室、濾光片以及參考與吸收紅外探測器組成，可提供真實、準確的CO2測量。然而，除純粹審美方面的原因，NDIR傳感器并不適于安裝在移動設備、恒溫控制器以及其它生活中的智能家居組件，主要原因是由其外形尺寸導致的成本較高、集成能力較低。

目前市場上還沒有類似的解決方案——既可真實、準確地進行CO2測量，又兼具成本效益。盡管可用所謂的eCO2傳感器來檢測各類室內污染物，但它們并非NDIR傳感器的優良替代品。eCO2傳感器并不能完成實際測量，它是利用算法計算出了等效CO2值。其計算假定前提為該區域內的CO2主要由在場人員產生。因此，eCO2只是提供了基于諸多假設的估計而已。而依據該eCO2值對室內空氣質量的調節，也只是基于可能不準確的信息完成的。

這種情況會導致空氣調節系統消耗非必要的能耗，或是在需要空氣調節時卻完全不能正常通風。其結果很可能是空氣質量無法得到有效改善，用戶就會對使用這種eCO2傳感器產品失去信心。

基于光聲光譜學的MEMS氣體傳感器

英飛凌（Infineon）憑借其MEMS麥克風的設計經驗和實驗過程，成功開發出一款基于光聲光譜學（PAS）的新型CO2傳感器。PAS是一種物理方法，適用于檢測混合物中的氣體成分，例如可測定室內空氣中的CO2濃度。

基于光聲光譜學的CO2傳感器原理圖

光聲光譜學基于這樣一個事實：氣體分子只吸收特定波長的光，CO2通常只吸收4.2 μm波長的光。帶有濾光片的紅外光源以精確波長的光脈沖快速連續地向氣體提供能量。這將導致氣體樣品的快速加熱和冷卻，進而導致熱膨脹和收縮。由此產生的聲音可使用麥克風記錄下來并進行評估，同時用于計算氣體中的CO2含量。CO2濃度越高，其聲學信號就會越強。與NDIR-CO2傳感器相比，使用高靈敏度的MEMS麥克風作為探測器可實現顯著的微型化。

開發該傳感器的挑戰

英飛凌CO2傳感器將光聲換能器、探測器、紅外光源和濾光片集成在一塊印刷電路板上。該傳感器具有用于板載信號處理的小型微控制器、復雜的算法以及用于驅動紅外光源的MOSFET。經過調制的紅外光源將輻射至采樣室內的混合氣體。CO2在吸收紅外光后，會加熱并增加采樣室內的壓力，壓力變化可通過MEMS麥克風來測量。

英飛凌的緊湊型Xensiv PAS CO2傳感器

在開發PAS-CO2傳感器的過程中，其主要挑戰是將麥克風的性能提升到極限，并將系統噪聲降到最低；即將MEMS探測器與外部噪聲相隔離，從而只檢測來自于腔內CO2分子的壓力變化。英飛凌在制造原型器件前對MEMS麥克風的響應進行了建模，以驗證建模結果。

英飛凌PAS CO2傳感器方案的優勢

英飛凌在2019年新推出的Xensiv PAS CO2傳感器，使用了信噪比為69 dB的IM69D130 Xensiv MEMS麥克風。該傳感器專為自噪聲小、動態范圍寬、失真度低、聲學過載點高等場景而設計。歸功于IM69D130的上述優點，氣體傳感器才可以測量最輕微的壓力波動，因此即使只有少量氣體也足以準確地測定出氣體濃度。所以，其采樣室也能設計得很小。與傳統、具有同等性能的CO2傳感器（真正的CO2測量）相比，該新型傳感器的尺寸縮小了75%以上。集成微控制器會將MEMS麥克風輸出信號轉換成ppm讀數，可通過串行I2C、UART或PWM三種接口獲得。直接ppm讀數、表面貼裝以及簡單的設計，使得簡單、快速地與柔性生產數字化相集成成為可能。所有內部元件均按照英飛凌的高質量標準開發和設計而成。

該傳感器非常堅固，其測量范圍為0 ppm至10000 ppm，測量精度最高可達5000ppm（讀數的±3%或精度的±30ppm）。其工作溫度范圍為0°C至50°C，相對濕度為0%至85%（無冷凝）。漂移值每年小于1%（主動自校準）。脈沖模式下，該CO2傳感器的設計壽命為10年。Xensiv PAS CO2擁有這些優良性能，使其成為智能建筑中需求導向的通風控制、智能家居應用中室內空氣質量控制的理想選擇。

Xensiv PAS CO2傳感器的典型應用

英飛凌正計劃推出該傳感器的多款變型，以滿足各類應用中的特殊需求，例如電池供電應用中需要低功耗，便攜式設備需要尺寸更小、成本更低，以及極端苛刻的工業應用需要更可靠。其它氣體傳感器的開發也在英飛凌的規劃中。