新型SCD40傳感器和光聲技術(shù)

 

SCD40小型化的CO2傳感器為產(chǎn)品設(shè)計提供了新方法，并將為各種新型傳感應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。Sensirion的經(jīng)驗使它能夠改進(jìn)其CO2傳感器技術(shù)的最新創(chuàng)新，提供了一種新設(shè)備，該設(shè)備比其前身SCD30的體積小七分之一。光聲檢測原理可在不影響性能的情況下減小SCD30中使用的光學(xué)腔的尺寸。

 

最先進(jìn)的CO2傳感器（例如Sensirion的SCD30）基于非分散紅外（NDIR）光學(xué)檢測原理。由于其尺寸和成本，這些NDIR傳感器的使用僅限于少數(shù)應(yīng)用。

 

NDIR型傳感器是光學(xué)傳感器，經(jīng)常用于氣體分析。主要組件是帶有波長濾光片的紅外光源，樣氣室和紅外檢測器（圖2和3）。通過照射穿過樣品池（包含CO2）的紅外光束并測量所需波長處的樣品吸收的紅外光量，NDIR檢測器可以測量樣品中CO2的體積濃度。

 

基于NDIR原理的傳感器的靈敏度與光束路徑成正比。路徑的大量減少會導(dǎo)致其性能受損，從而限制了該技術(shù)的小型化潛力。此外，基于NDIR原理的傳感器由于其尺寸，結(jié)構(gòu)和大量分立組件而沒有經(jīng)濟(jì)的BOM結(jié)構(gòu)。

 

Gysel說：“就小型化而言，NDIR技術(shù)似乎已達(dá)到CO2傳感器的極限，因為傳感器的靈敏度與光束路徑長度成正比，因此與傳感器的尺寸成正比。”“ Sensirion始終旨在通過在不影響性能的前提下使組件更小，更具成本效益來破壞傳感器市場。對于CO2感測，我們認(rèn)為光聲技術(shù)是最有前途的方法：除了減小CO2傳感器的尺寸和成本之外，該技術(shù)還允許SMT組裝代替費(fèi)力的通孔焊接。這三個因素相結(jié)合，有可能開拓新的CO2感應(yīng)市場。我個人認(rèn)為，光聲技術(shù)有潛力在未來五到十年內(nèi)取代NDIR，成為標(biāo)準(zhǔn)的CO2傳感技術(shù)。”

 

圖2：SCD30技術(shù)（圖片：Sensirion）

 

圖3：NDIR原理（圖片：Sensirion）

 

新型SCD40基于Sensirion的光聲PASens技術(shù)。光聲檢測原理可在不影響性能的情況下使傳感器小型化。這是因為傳感器的靈敏度與光學(xué)腔的大小無關(guān)。通過同時使用Sensirion的CMOSens技術(shù)進(jìn)行小型化，可以將這兩種技術(shù)結(jié)合起來并創(chuàng)建一種新型的傳感器（圖4）。

 

圖4：NDIR（SCD30）和PASens Technology（SCD40）的尺寸比較（圖片：Sensirion）

 

光聲原理相對簡單：對應(yīng)于CO2分子吸收帶的4.26 µm調(diào)制窄帶光信號在一個狹小的封閉空間內(nèi)發(fā)射。測量池中的CO2分子吸收部分照射的光。CO2分子的吸收能量主要激發(fā)分子振動，這會導(dǎo)致平移能量的增加，從而導(dǎo)致測量單元中壓力的周期性變化，可以使用MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行測量。

 

吉塞爾說：“吸收后，光子的能量首先轉(zhuǎn)移到CO2分子，然后轉(zhuǎn)移到周圍的分子。”“吸收的能量導(dǎo)致微觀壓力增加。由于光學(xué)腔內(nèi)部發(fā)生數(shù)百萬個吸收事件，因此壓力增加成為宏觀現(xiàn)象。通過調(diào)制IR發(fā)射器，我們以明確定義的頻率感應(yīng)出壓力的增加和減少-僅僅是聲波。聲音的頻率由紅外發(fā)射器調(diào)制頻率決定，但聲音的幅度與CO2濃度成正比。”

 

傳聲器信號然后用于測量測量單元中的CO2分子數(shù)量，并可用于計算CO2濃度。

 

圖5：PASens技術(shù)的功能。在傳感器的頂部，有灰塵過濾器。圖片：Sensirion）

 

圖6：SCD40傳感器（圖片：Sensirion）

 

圖7：SCD40傳感器及其功能（圖片：Sensirion）

 

“可以使用MEMS麥克風(fēng)來測量光聲信號的幅度，” Gysel說。“然后使用內(nèi)置處理器通過高級信號處理算法來計算CO2濃度。光聲測量原理的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器的靈敏度主要與光腔尺寸無關(guān)。因此，我們可以使用這項技術(shù)來縮小傳感器的尺寸，而不會影響傳感器的性能。”

 

SCD40結(jié)合了最小尺寸和最高性能，代表了傳感技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合。SCD40為集成和應(yīng)用打開了許多新的可能性。它提供0 ppm至40,000 ppm的測量范圍，完全校準(zhǔn)和線性化的輸出以及數(shù)字I2C接口。

 

Gysel說：“也許SCD40的最大資產(chǎn)就是我們在內(nèi)部設(shè)計和生產(chǎn)所有關(guān)鍵組件。”“這使我們能夠在保持成本效益的BOM結(jié)構(gòu)的同時實現(xiàn)最高的性能。例如，基于我們CMOSens技術(shù)的主動調(diào)節(jié)型IR發(fā)射器可確保最高的長期穩(wěn)定性，并且比現(xiàn)有的現(xiàn)成產(chǎn)品具有更高的成本效益。

 

他補(bǔ)充說：“傳感器的準(zhǔn)確性非常重要，原因有兩個。”“一方面，它使我們的客戶能夠設(shè)計出性能卓越的產(chǎn)品。另一方面，一些客戶需要高精度才能符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)-例??如，這在HVAC市場中非常關(guān)鍵。我們的SCD40的精度規(guī)定為±30 ppm加上讀數(shù)的3％，這是市場上可以找到的最佳精度之一。另一個關(guān)鍵指標(biāo)是傳感器的使用壽命為10年，這證明了我們在傳感器可靠性方面的高標(biāo)準(zhǔn)。”