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光声传感技术:如何让二氧化碳传感器尺寸缩小5倍?

时间:2019-08-28 作者:赵明灿 阅读:
采用光声传感技术设计的二氧化碳传感器,不仅能在保持超高性能的同时大幅缩小传感器尺寸,还其制造成本还具有可控性。另外,由于光声传感技术的信号是随着二氧化碳的浓度增加而增强(红外气体测量感应技术则相反),因此能够实现更高的精度。

空气质量正在成为重要的环境问题。二氧化碳就是其中一项指标,在室外,正常的二氧化碳浓度是400ppm,而在室内,由于一整天关窗开空调和空气不流通,将会产生大量的二氧化碳。二氧化碳浓度增加,会影响测试者的表现。在浓度达到2500ppm时,他们的成绩通常比1000ppm时低得多。

“当人处于密闭空间内,二氧化碳的浓度会持续增加;直到浓度超过2000ppm,人体产生瞌睡、注意力下降和头痛等症状。对于久坐办公室的上班族来说,二氧化碳浓度的持续上升会引起人‘犯困’。”环境传感器解决方案专家盛思锐(Sensirion)大中华区总经理李锦华日前在该公司的媒体见面会上告诉记者,如果室内有实时检测二氧化碳浓度并自动调节室内通风的设备,那就可以保证人员的工作效率最佳。

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继PM2.5传感器和VOC传感器之后,盛思锐再次推出一款体积仅为1立方厘米的微型二氧化碳和温湿度传感器SCD40,它以光声传感原理为基础,集小尺寸和高性能为一体,为室内智能应用场景带来了更多可能性。

李锦华表示,这款新品有两大突破:1、首款体积仅为1立方厘米的微型二氧化碳和温湿度传感器,与前一代的SCD30相比,其尺寸缩小了5倍;2、采用了多款传感器融合的方式,集成了温湿度传感器,采用SMD贴片封装,整合了成本与空间的节省,具备良好的传感器性能,帮助客户做大规模低成本的生产。这款新型传感器在2019年美国圣荷塞传感器展获得“2019最具创新的气体传感器”。

突破二氧化碳传感器的尺寸壁垒

“与前一代的SCD30相比,SCD40体积更小、性能更高、价格更低。”盛思锐大中华区总经理李锦华介绍说。SCD40的尺寸为10mm*10mm*7 mm,其尺寸相比前一代SCD30缩小了5倍。

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得益于盛思锐CMOSens专利技术,SCD40成功突破尺寸壁垒。SCD40利用光声学传感原理,在不影响传感器性能的前提下,它的光学共振腔的尺寸得以大幅度减小。与此同时,光声传感原理具备了高机械稳定性,进而确保了传感器的精确输出,无需重新校准序列,令传感器的整体性能更稳定。

尽管SCD40在尺寸、技术等方面取得了突破,但它的价格并没有水涨船高。据介绍,光声传感技术在保证高性能的同时,还令SCD40可以集成了更多的器件,如温湿度传感器,同时可采用LGA贴片封装,有效整合成本和空间。

此外,盛思锐还通过高比例的自制零部件来降低成本。SCD40内绝大部分的零部件都由盛思锐自己设计和生产,极大程度上降低了整体的制造成本,做到“加量加料不加价”。

李锦华表示,温湿度传感器的价格一直在降低,主要是技术迭代所致,本质上是产业发展成熟的标志。以前一个温湿度传感器就要花20美金,现在只需要几美金,这是所有传感器企业都面临的市场变化。对此,研究更先进的技术、推出更高性价比的产品、狠抓成本管控,是盛思锐应对新形势的可行性策略。

“SCD40定位于大批量以及对成本高度敏感的应用需求,相信会在物联网、汽车、暖通空调系统、家电和消费电子产品等细分市场崭露头角。”李锦华展望道。据悉,SCD40这款微型二氧化碳和温湿度传感器将于2020年上半年投入市场。

二氧化碳传感器做小的关键技术原因

如今市面上的二氧化碳传感器主要采用红外气体测量感应技术(NDIR),而另一种技术是光声传感技术(Photoacoustic,PSA),它与前者相似但又原理不同。“SCD40能把二氧化碳、温湿度传感器集成在仅为1立方厘米的模块中,就得益于采用了光声传感技术。“李锦华透露。

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红外气体测量感应技术

NDIR红外气体传感器采用一个广谱的光源作为红外传感器的光源。光线穿过光路中的被测气体,透过窄带滤波片,到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性,利用气体浓度与吸收强度关系鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

其主要由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器,可以用于测化合物,例如:甲烷、二氧化碳、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化硫、氨气、乙醇、苯等,并包含绝大多数有机物。

NDIR是目前最常见的二氧化碳传感器技术,但也有缺点,例如光源和探测器之间如果发生任何偏移的话,信号就没有办法击中探测器,最终会出现一些偏差。

对此,NDIR的技术路线分为两条:一是向低分辩率、长波长、多气种方向发展,主要市场是分析仪表;二是向小体积、低成本方向发展,主要市场是室内空气质量IAQ检测,气种包含二氧化碳和碳氢类气体,全球销量约几百万只。但无论如何,上述两个应用领域对传感器尺寸大小需求不那么高,NDIR在未来一段时间内仍有用武之地。

光声传感技术(Photoacoustic,PSA)

声波传感技术以声波传感器为主体,将声波信号转换成电信号的装置,是指机械振动引起周围弹性介质中质点的振动由近及远地传播向四面八方传播,在开阔空间的空气中的传播方式,就像逐渐吹大的肥皂泡,是一种球形的阵面波。传播过程中,气体分子不容易受到干扰,信号的稳定性更强。

其实,光声传感原理已推出了几十年,到目前为止都是为昂贵的实验室规模的仪器所预留。盛思锐选用光声传感技术的原因,不仅在于其能保持超高性能的同时大幅缩小传感器尺寸,还在于其制造成本的可控性。另外,由于光声传感技术的信号是随着二氧化碳的浓度增加而增强(红外气体测量感应技术则是相反),因此能够实现更高的精度。“NDIR简单地讲是有一个光源和一个探测器,光源和探测器之间如果发生任何偏移,信号就没有办法击中探测器,那么就可能出现偏差。但是光声原理就很简单,光源发光产生振动,有声音传到麦克风,这个过程并不会受到其他外在气体或东西的影响,所以它的效果应该更好。”李锦华解释说。

他认为,目前二氧化碳传感器的价格受材料清单成本的影响较大。由于光声传感器的材料清单比红外线气体检测传感器少很多,因此光声传感器将在不久的将来决定二氧化碳传感器的价格标准。

为智慧楼宇提供全方位的环境传感器方案

近年来,人们对智慧生活的极致追求,也催生了智慧楼宇的火爆发展。其中,传感器作为楼宇数据收集的核心元器件,被众多布局智慧楼宇的科技巨头所关注。更不乏一些芯片厂商、传感器厂商与他们展开深入合作,实现楼宇内部的“数据收集-准确传输-云端分析-指令控制”。

据介绍,区别于按需控制通风(DCV)和室内空气质量监测两大成熟市场,二氧化碳传感器如今还在新兴市场上全面拓展。例如DCV用于空调的换气,通过移动app或LED标记IAQ的智能温控器,以及当二氧化碳浓度超过临界阈值自动调节室内状态的空气净化器等等。SCD40已经可以实现上述应用场景。

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至于更前端的智慧城市、智慧楼宇领域,盛思锐也正在与客户厂商合作配合,希望能提供包括二氧化碳传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、VOC传感器等环境传感器方案,对智慧楼宇的数据收集提供全方位的帮助。

“如今智慧城市、智慧楼宇、智慧工厂等众多智慧场景,都少不了传感器的身影,都需要借助传感器完成更精准、更高效的实时数据收集,这正是盛思锐的能力所在。” 李锦华表示,“盛思锐每年都会拿出营收总额的21%用于研发投入,随时准备迎合新兴市场的不同机遇。与此同时,盛思锐还会持续加大对中国市场的投入,为国内客户提供更多优质的环境传感器产品。”

在全球营收的版图上,盛思锐亚太区的营收约占全球营收的47%,其中又以大中华区市场规模增长最快。“我们凭借雄厚的研发实力和丰富的产品可以在中国市场把握物联网、智能建筑等产业带来的传感器商机。SCD40将成为当今和未来二氧化碳传感器市场(如物联网、汽车、暖通空调系统、家电和消费电子产品)的首选。”李锦华说。

谈到盛思锐相对于竞争对手的优势,盛思锐全球市场销售总监Stephen M.Richter表示,该公司有两大优势服务客户:第一、盛思锐每年将21%的营收投入到研发。我们推出的新产品可能会比竞争对手领先一到两步,我们专注技术上的投资可以保持自身的优势地位;第二、在中国,盛思锐有很强的研发和生产、销售团队,可以针对中国市场特定需求,利用全球资源做整合来满足客户要求。温湿度传感器和二氧化碳传感器成本越来越低,我们能够推出更高性价比的产品,我们也可以自己控制整个价值链,能够对这个价值链有一个很大的影响。 

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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