二氧化碳濃度是衡量室內空氣質量的關鍵指標。良好的空氣可以讓人們不易困倦，生產率更高，而室內二氧化碳濃度過高則意味著空氣質量差，其原因往往是空調和循環通風不足。這會導致健康問題，包括有大量文件證明的病態建筑綜合癥（SBS），其幫兇還包括其他室內有害物質，如纖塵、霉菌、花粉、細菌甚或石棉等。

二氧化碳濃度限值可預防疾病

多年來，受人類活動的影響，溫室氣體濃度已慢慢升高，環境中的二氧化碳濃度值也隨之增長；如今，大氣二氧化碳濃度值已突破代表健康新鮮空氣的400 ppm（0.04 %）限值。通過良好的新鮮空氣循環通風，可以實現不超過1000 ppm（0.1%）的室內二氧化碳濃度值，這個限值仍然被視為可接受的。從科學的角度來講，以這個值為上限，二氧化碳濃度值對于健康至關重要，因為高于這個限值的二氧化碳濃度將會對健康產生不利的長期影響。

高二氧化碳濃度對健康的影響

哪怕在1000 ppm（0.1 %）至2000 ppm（0.2 %）濃度范圍內，空氣質量差的影響也是顯而易見的，人們會感到十分疲憊。濃度超出這個水平之后，人們會覺得憋悶，并且出現頭痛、困倦、注意力不集中和心率加快等現象。因此，衛生組織建議盡可能使室內二氧化碳濃度值保持在1000 ppm（0.1%）以下。環保署還明確建議向室內輸送戶外的新鮮空氣，以改善室內空氣質量，譬如，使用暖通空調系統（供暖、通風、空調）。

許多應用都離不開二氧化碳傳感器

應用數量如此之龐大，無怪乎分析師認為，二氧化碳傳感器市場的年增長率將達到兩位數。二氧化碳傳感器可用于監測室內空氣，確保住宅、學校、辦公室和商業建筑等實現更好的通風，從而有助于人們集中注意力，提高生產率。小型傳感器還適用于生活區以及相應的物聯網設備，如數字助理、煙感探測器、路由器、空氣凈化器或空調系統等，甚至還可以安裝到筆記本電腦或顯示器中。

可以利用模式識別來確定房間內的人數和他們的日常活動水平。根據這些信息，樓宇自控系統可以優化決策，改善空調效果。暖通空調系統有了二氧化碳傳感器，可以將能耗降低最多50%，這意味著整棟建筑可以實現節能20%至30%。普通系統采用定時模式保持恒定的空氣流通，譬如，在工作時段提供持續通風。另一方面，基于真實的二氧化碳濃度測定值來進行控制，則可以按照房間內的實際人數來調節新鮮空氣的供給。這將縮短暖通空調系統的日常工作循環，從而節省大筆開支。

此外還有許多其他應用，包括車內二氧化碳監測，以調節駕駛室或整個車內的空氣質量。在農業領域，二氧化碳傳感器可用于控制溫室中的二氧化碳濃度，以提高產量和節約成本。傳感器也用于醫療應用，包括capnometry，這是一種實時測定患者呼出氣二氧化碳含量的方法，在麻醉領域特別有用。

工業領域的用例包括在諸如干冰庫、儲罐或地下氣源等二氧化碳氣源附近，檢測二氧化碳泄漏。智慧城市可以將二氧化碳排放源與道路車輛密度聯系起來，從而實現交通管理。

如今的二氧化碳傳感器

如今，非色散紅外（NDIR）傳感器的應用十分普遍，特別是在樓宇自控領域。然而，這種傳感器體積較大、價格昂貴，因而僅可在有限的范圍內使用。這種傳感器由紅外光源、采樣腔、濾光片以及基準和吸收紅外探測器等組成，可提供真實、準確的二氧化碳測定值。但是，除單純考慮美觀之外，這種傳感器并不適用于移動終端、恒溫器或起居室內的其他智慧居家裝置，主要原因是其成本高昂并且外形較大難以集成。

目前，市場上還沒有哪種與之相當的解決方案能夠既提供這樣真實且準確的二氧化碳測定值，同時又經濟劃算。盡管有所謂的eCO2傳感器可以檢測多種不同的室內污染物，但其性能不足以取代NDIR傳感器。eCO2傳感器并不執行實際測量；它是利用算法來計算出等效二氧化碳濃度值。這種方法假定二氧化碳濃度主要由房間內的人員造成。因此，它是根據很多假設來進行估算。所以，利用這個eCO2值，只能根據可能不太準確的信息來調節室內空氣質量。

這將導致空調系統能耗過高或者恰恰在需要的時候卻不能正常通風。這樣一來，空氣質量得不到有效改善，用戶對使用這種eCO2傳感器的產品失去信心。

基于MEMS的光聲光譜

得益于其在MEMS麥克風方面的豐富經驗，通過實驗，英飛凌成功地研發出一種基于光聲光譜（PAS）的全新二氧化碳傳感器。光聲光譜（PAS）是一種物理方法，適用于檢測混合物中的氣體成分，譬如，測定室內空氣中的二氧化碳濃度。

基于光聲光譜（PAS）的二氧化碳傳感器示意圖

光聲光譜技術的作用原理是氣體分子僅吸收特定波長的光；二氧化碳氣體分子可吸收的光波長為4.2μm。配備光學濾光片的紅外光源快速連續發射波長4.2μm的光脈沖，向氣體輸送能量。這使得氣體樣本迅速加熱和冷卻，進而產生熱脹冷縮。可以利用麥克風錄下由此產生的聲音，然后進行評估，并就氣體的二氧化碳含量得出結論。二氧化碳濃度越高，信號越強。相比于NDIR-CO2傳感器，使用高靈敏度MEMS麥克風作為檢測器可以大幅縮小體積。

傳感器研發挑戰

英飛凌推出的這款二氧化碳傳感器將光聲換能器、檢測器、紅外光源和光學濾光片等集成到一塊印刷電路板上。這種傳感器配備了用于板載信號處理的小型單片機、復雜的算法以及用于操作紅外光源的MOSFET。經調制的紅外光照射到采樣腔內的混合氣體上。其中的二氧化碳氣體吸收了紅外光后變熱，采樣腔內的氣壓隨之升高，MEMS麥克風可以測量這樣的出氣壓變化。

研發光聲光譜二氧化碳傳感器遇到的主要挑戰之一，是讓麥克風的性能發揮到極致，并最大限度地降低系統噪聲，也就是說，使MEMS檢測器隔絕于外部噪聲，從而僅檢測到采樣腔內二氧化碳分子產生的氣壓變化。英飛凌先進行了MEMS麥克風響應建模，然后再制作部分組件的原型來驗證建模結果。

英飛凌推出的緊湊式XENSIV光聲光譜二氧化碳傳感器

特性和優點

英飛凌推出的全新XENSIV光聲光譜二氧化碳傳感器搭載了信噪比為69 dB的IM69D130 XENSIV MEMS麥克風。它經專門設計，適用于要求自噪聲低、動態范圍寬、失真度低、聲學過載點高的應用。歸功于XENSIV IM69D130，這種氣體傳感器可以測量出最輕微的氣壓波動，因此哪怕很少量的氣體亦足以準確測定氣體濃度。所以，還可以將采樣腔設計得很小巧。這款全新傳感器不僅可以進行真正的二氧化碳測量，而且比具備同等性能參數的常規二氧化碳傳感器的體積縮小了75%以上。其集成式單片機可將MEMS麥克風輸出信號轉換為ppm值，并通過串行I2C、UART或PWM等三種接口輸出。直接輸出ppm讀數、支持表面貼裝技術和簡單的設計，有利于輕松快速地集成到柔性生產系統中。所有組件均為英飛凌內部設計和生產，達到了英飛凌的高質量標準。

這款傳感器極為堅固耐用，測量范圍為0 ppm至10,000 ppm，在5000 ppm（± 3 %）以下范圍內，測量精度高達± 30 ppm。工作溫度范圍為0°C到50°C，相對濕度0 %到85 %（非冷凝）。年漂移率小于1%（執行主動自校準）。在脈沖模式下，這種二氧化碳傳感器的設計使用壽命為10年。得益于此，XENSIV光聲光譜二氧化碳傳感器是用于樓宇自控系統中以需求為導向的通風控制，以及用于智慧居家應用中的室內空氣質量控制等的理想之選。

XENSIV PAS CO2傳感器的典型應用

英飛凌正計劃推出多種傳感器型號，以滿足各類應用的特定要求，譬如，電池供電設備要求低功耗型號，便攜式設備要求更小巧、更廉價的型號，以及條件極為惡劣的工業設備則要求更可靠的型號。適用于其他氣體的傳感器型號也列入了英飛凌的研發計劃。

責任編輯：xj

原文標題：利用微型傳感器改善室內空氣質量

文章出處：【微信公眾號：傳感器技術】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。