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

隨著人們的環境意識增強，不僅衣食住行方式發生變化，建筑設計也受到影響。為節約自然資源（主要用于取暖），現代房屋設計往往力求高能效。這會導致建筑越來越密閉，隔熱性也比傳統建筑更好。氣密性高的建筑更不容易透過墻體、屋頂、窗戶、裂縫等實現氣流交換，從而降低室內空氣質量。而室內空氣質量降低又會影響人們的工作效率和健康福祉。因此，室內必須配備有效通風系統，才能保證足夠的新鮮空氣，從而創造健康高效的環境。由于通風系統調節和引入新風時需要大量能源，所以必須確保系統具有高能效。按需控制氣流交換的通風策略能夠實現這一點。

人類是室內CO?濃度增加以及其他污染產生的主要原因。室內人數以及人類活動（如做飯、運動、娛樂）不同，對新鮮空氣的要求也會隨之變化。人所在的密閉建筑，CO?濃度越高，空氣質量越低。因此CO?濃度被視為空氣質量指數之一，也可作為通風系統控制參數使用——基于室內空氣質量測量結果按需通風，既能保證環境健康舒適，又能實現高能效。

基于獨特PASens技術的Sensirion新款SCD4x傳感器正在革新CO?傳感器市場。PASens技術采用光聲測量原理。它不同于目前常見的非分散紅外技術(NDIR)，傳感器靈敏度與光學腔大小無關，因此可在保證傳感器性能的同時將CO?傳感器尺寸減至最小。顧客得以實現靈活緊湊且性價比高的集成方式，也不會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量大幅減少，傳感器成本結構優化，售價也大大降低。得益于其微型尺寸和優化的成本結構，SCD4x可集成至更多新產品和大批量應用，比如緊湊型通風系統、空氣交換器、風管探頭，空氣凈化器，恒溫器，空調機組和空氣質量監測儀。

室內空氣CO2濃度增加的影響

二氧化碳是人體代謝的主要產物之一。食物攝入后，碳水化合物、脂肪和蛋白質在氧氣的作用下轉化為二氧化碳，隨后通過呼吸再次傳遞。盡管CO?呼出后會很快稀釋，但密閉空間內的CO?濃度仍會迅速上升。尤其是研討會區域、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迅速增加十倍。相對來說，大氣中的CO?濃度與位置無關，一般在400ppm左右，但在通風不足的室內也可能達到5000ppm。CO?累積會使人體代謝更加復雜，CO?濃度達1000ppm時則可能出現困倦和注意力難以集中。

考慮到CO?對人體代謝的特殊影響，有必要對CO?分子進行選擇性測量。針對室內 CO?，通過紅外光吸收對單個原子的相對振蕩進行選擇性激發較為合適。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量。與NDIR氣體傳感器（如Sensirion SCD30）不同，光聲傳感器無需檢測透射光亮，而是通過光聲效應間接檢測氣體吸收光量。光聲效應一般指氣體吸收光后壓力增加。

被紅外輻射激發的分子將振動激發轉移至其它分子，從而導致平動能增加，即局部溫度升高。封閉體積內，平動能增加會導致壓力增加，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計。

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

光聲傳感器關鍵元件包括：由窄帶紅外光照射的封閉光聲腔、檢測光聲腔壓力變化的麥克風、以及與外部進行氣體交換的光聲池開口。寬帶紅外發射器發出光源，經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，激發待測氣體分子（本文為CO?）振蕩。

一段時間后（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和消退的時間相比，光聲腔內的壓力平衡時間更短，因此可利用與光聲腔相連的麥克風記錄壓力上升情況。

10ms后，光源關閉，光聲池與環境達到熱平衡，溫度和壓力隨之下降，系統回到初始狀態。

為提高生成信號信噪比，以上測量操作需重復多次。因此，測試采用調制光源，產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技術的光源發射器。它可以迅速調制光源，而且由于主動控制光源所以更具長期穩定性。為實現傳感器微型化和避免受環境影響，所有SCD4x零部件均安裝在光聲池內（見圖3）。

圖3：Sensirion PASens 技術關鍵部件（來源：Sensirion AG）

總結

Sensirion再次走在環境傳感技術創新前沿，打造更健康高效的環境。SCD40打破CO?傳感器尺寸限制，繼續書寫SCD30的成功故事。SCD4x創新微型CO?傳感器兼具尺寸和價格優勢，可集成至各種家用設備，且性能比傳統NDIR傳感器更優。圖為可配置Sensirion創新CO?傳感器解決方案的示范應用/設備。

暖通空調應用概述（來源：Sensirion AG）

這項環境測量新技術突顯出Sensirion在環境傳感器技術領域的專業地位。SCD4x CO?傳感器所體現出的創新水平也得到各大獎項認可，包括SensorsExpo 2019“最佳傳感器”，以及入圍AHR 2020貿易展“最具創新產品”和2020 AMA創新獎。

作者：Marco Gysel，Sensirion CO?傳感器產品經理