據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，CO2（二氧化碳）濃度是衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。良好的空氣質(zhì)量可以讓身處其中的人員精神更佳、生產(chǎn)效率更高；而CO2濃度過(guò)高則代表著室內(nèi)空氣質(zhì)量差，其原因往往是由于空氣調(diào)節(jié)和空氣再循環(huán)不足所造成。這種情況可能導(dǎo)致有據(jù)可查的病態(tài)建筑綜合癥（SBS）等健康問(wèn)題，細(xì)塵、霉菌、花粉、細(xì)菌甚至石棉等其它室內(nèi)毒素也可能對(duì)健康產(chǎn)生影響。

CO2限值可預(yù)防疾病

多年來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)，環(huán)境中溫室氣體濃度以及CO2含量已逐漸增加；如今環(huán)境中數(shù)值略高于400 ppm（0.04%），這代表著健康的新鮮空氣。而在室內(nèi)，高達(dá)1000 ppm（0.1%）CO2濃度仍被認(rèn)為是可以接受的，通過(guò)良好的新鮮空氣供應(yīng)可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。從科學(xué)的角度來(lái)看，CO2濃度值對(duì)健康至關(guān)重要，因?yàn)檩^高CO2濃度會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生長(zhǎng)期的負(fù)面影響。

高濃度CO2對(duì)健康的影響

即便CO2濃度在1000 ppm（0.1%） ~ 2000 ppm（0.2%）范圍內(nèi)，空氣質(zhì)量差也是顯而易見(jiàn)，人在這樣的環(huán)境中會(huì)感到疲憊。CO2濃度如果繼續(xù)升高，人們會(huì)感到悶熱、頭痛、嗜睡、注意力下降以及心率加快。因此，世界衛(wèi)生組織建議盡可能將室內(nèi)CO2濃度控制在1000 ppm（0.1%）以?xún)?nèi)。美國(guó)環(huán)保局（EPA）明確建議通過(guò)室外空氣循環(huán)來(lái)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，可使用暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC），集采暖、換氣、空氣調(diào)節(jié)于一體。

眾多應(yīng)用中，CO2傳感器必不可少

考慮到大量應(yīng)用的需要，市場(chǎng)分析師預(yù)計(jì)CO2傳感器市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率達(dá)到兩位數(shù)也不足為奇。根據(jù)Yole發(fā)布的《氣體和顆粒物傳感器-2018版》報(bào)告，到2022年氣體傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到10億美元。CO2傳感器可用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣，以確保家庭、學(xué)校、辦公室及商業(yè)建筑的通風(fēng)更佳，從而提高人們的注意力和生產(chǎn)效率。較小尺寸的傳感器也適用于生活領(lǐng)域以及相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）器件，如數(shù)字助理、煙霧探測(cè)器、路由器、空氣凈化器以及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(chǎng)規(guī)模

模式識(shí)別可用來(lái)確定房間中的人數(shù)以及人們的日常活動(dòng)水平。這些信息則可為智能建筑提供更佳的空氣調(diào)節(jié)決策。在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，CO2傳感器幫其減少了高達(dá)50%的電力消耗，這意味著可為整個(gè)建筑節(jié)能20%到30%。這是因?yàn)樵谄胀ㄏ到y(tǒng)中，空氣循環(huán)是以定時(shí)器模式保持恒定的新鮮空氣輸入（例如在工作時(shí)間）；而基于真實(shí)CO2測(cè)量的管理則會(huì)根據(jù)房間的實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)新鮮空氣的供應(yīng)。因此大大縮短了暖通空調(diào)系統(tǒng)的日常工作周期，節(jié)能成效明顯。

其實(shí)CO2傳感器還有許多其它應(yīng)用，如車(chē)輛CO2監(jiān)測(cè)可調(diào)節(jié)駕駛位或整車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)中，CO2傳感器可用于控制溫室中的CO2濃度，以實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)量且節(jié)約成本。CO2傳感器也可用于CO2偵測(cè)儀（capnometry）等醫(yī)療應(yīng)用；CO2偵測(cè)儀是一種實(shí)時(shí)測(cè)量病人呼出CO2含量的方法，在麻醉領(lǐng)域特別有效。

工業(yè)案例則包括在干冰水庫(kù)、儲(chǔ)油罐及地下氣源等CO2氣源附近檢測(cè)CO2泄漏。智慧城市還可將CO2排放源與車(chē)輛密度相聯(lián)系，進(jìn)行交通管理。

如今的CO2傳感器技術(shù)

目前，非色散紅外（non- diffusion infrared，NDIR）傳感器應(yīng)用廣泛，尤其在智能建筑領(lǐng)域應(yīng)用頗多。然而，由于NDIR傳感器尺寸相對(duì)較大、價(jià)格昂貴，因此只能在有限的領(lǐng)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(cè)器組成，可提供真實(shí)、準(zhǔn)確的CO2測(cè)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(dòng)設(shè)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(dǎo)致的成本較高、集成能力較低。

目前市場(chǎng)上還沒(méi)有類(lèi)似的解決方案——既可真實(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行CO2測(cè)量，又兼具成本效益。盡管可用所謂的eCO2傳感器來(lái)檢測(cè)各類(lèi)室內(nèi)污染物，但它們并非NDIR傳感器的優(yōu)良替代品。eCO2傳感器并不能完成實(shí)際測(cè)量，它是利用算法計(jì)算出了等效CO2值。其計(jì)算假定前提為該區(qū)域內(nèi)的CO2主要由在場(chǎng)人員產(chǎn)生。因此，eCO2只是提供了基于諸多假設(shè)的估計(jì)而已。而依據(jù)該eCO2值對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)，也只是基于可能不準(zhǔn)確的信息完成的。

這種情況會(huì)導(dǎo)致空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)消耗非必要的能耗，或是在需要空氣調(diào)節(jié)時(shí)卻完全不能正常通風(fēng)。其結(jié)果很可能是空氣質(zhì)量無(wú)法得到有效改善，用戶就會(huì)對(duì)使用這種eCO2傳感器產(chǎn)品失去信心。

基于光聲光譜學(xué)的MEMS氣體傳感器

英飛凌（Infineon）憑借其MEMS麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，成功開(kāi)發(fā)出一款基于光聲光譜學(xué)（PAS）的新型CO2傳感器。PAS是一種物理方法，適用于檢測(cè)混合物中的氣體成分，例如可測(cè)定室內(nèi)空氣中的CO2濃度。

基于光聲光譜學(xué)的CO2傳感器原理圖

光聲光譜學(xué)基于這樣一個(gè)事實(shí)：氣體分子只吸收特定波長(zhǎng)的光，CO2通常只吸收4.2 μm波長(zhǎng)的光。帶有濾光片的紅外光源以精確波長(zhǎng)的光脈沖快速連續(xù)地向氣體提供能量。這將導(dǎo)致氣體樣品的快速加熱和冷卻，進(jìn)而導(dǎo)致熱膨脹和收縮。由此產(chǎn)生的聲音可使用麥克風(fēng)記錄下來(lái)并進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)用于計(jì)算氣體中的CO2含量。CO2濃度越高，其聲學(xué)信號(hào)就會(huì)越強(qiáng)。與NDIR-CO2傳感器相比，使用高靈敏度的MEMS麥克風(fēng)作為探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)顯著的微型化。

開(kāi)發(fā)該傳感器的挑戰(zhàn)

英飛凌CO2傳感器將光聲換能器、探測(cè)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(hào)處理的小型微控制器、復(fù)雜的算法以及用于驅(qū)動(dòng)紅外光源的MOSFET。經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外光源將輻射至采樣室內(nèi)的混合氣體。CO2在吸收紅外光后，會(huì)加熱并增加采樣室內(nèi)的壓力，壓力變化可通過(guò)MEMS麥克風(fēng)來(lái)測(cè)量。

英飛凌的緊湊型Xensiv PAS CO2傳感器

在開(kāi)發(fā)PAS-CO2傳感器的過(guò)程中，其主要挑戰(zhàn)是將麥克風(fēng)的性能提升到極限，并將系統(tǒng)噪聲降到最低；即將MEMS探測(cè)器與外部噪聲相隔離，從而只檢測(cè)來(lái)自于腔內(nèi)CO2分子的壓力變化。英飛凌在制造原型器件前對(duì)MEMS麥克風(fēng)的響應(yīng)進(jìn)行了建模，以驗(yàn)證建模結(jié)果。

英飛凌PAS CO2傳感器方案的優(yōu)勢(shì)

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(fēng)。該傳感器專(zhuān)為自噪聲小、動(dòng)態(tài)范圍寬、失真度低、聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)高等場(chǎng)景而設(shè)計(jì)。歸功于IM69D130的上述優(yōu)點(diǎn)，氣體傳感器才可以測(cè)量最輕微的壓力波動(dòng)，因此即使只有少量氣體也足以準(zhǔn)確地測(cè)定出氣體濃度。所以，其采樣室也能設(shè)計(jì)得很小。與傳統(tǒng)、具有同等性能的CO2傳感器（真正的CO2測(cè)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(huì)將MEMS麥克風(fēng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成ppm讀數(shù)，可通過(guò)串行I2C、UART或PWM三種接口獲得。直接ppm讀數(shù)、表面貼裝以及簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，使得簡(jiǎn)單、快速地與柔性生產(chǎn)數(shù)字化相集成成為可能。所有內(nèi)部元件均按照英飛凌的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)而成。

該傳感器非常堅(jiān)固，其測(cè)量范圍為0 ppm至10000 ppm，測(cè)量精度最高可達(dá)5000ppm（讀數(shù)的±3%或精度的±30ppm）。其工作溫度范圍為0°C至50°C，相對(duì)濕度為0%至85%（無(wú)冷凝）。漂移值每年小于1%（主動(dòng)自校準(zhǔn)）。脈沖模式下，該CO2傳感器的設(shè)計(jì)壽命為10年。Xensiv PAS CO2擁有這些優(yōu)良性能，使其成為智能建筑中需求導(dǎo)向的通風(fēng)控制、智能家居應(yīng)用中室內(nèi)空氣質(zhì)量控制的理想選擇。

Xensiv PAS CO2傳感器的典型應(yīng)用

英飛凌正計(jì)劃推出該傳感器的多款變型，以滿足各類(lèi)應(yīng)用中的特殊需求，例如電池供電應(yīng)用中需要低功耗，便攜式設(shè)備需要尺寸更小、成本更低，以及極端苛刻的工業(yè)應(yīng)用需要更可靠。其它氣體傳感器的開(kāi)發(fā)也在英飛凌的規(guī)劃中。