Sensirion室内空气质量传感方案-电子发烧友网

今天，当我们查询电气预报时，除了阴晴雨雪和温度这些常规的信息之外，还会对“大气污染指数”格外关注，因为大家都知道，空气质量的优劣与人们的身体健康息息相关。不过你是否意识到，当我们普遍对“宏观”的室外空气质量变得越发在意时，对于“微观”的室内空气质量也需要投以同样的，甚至是更多的关注。

室内空气质量（Indoor Air Quality，IAQ）之所以更重要，是因为有研究数据表明，人们约80%到90%的时间都是在封闭的室内度过的——这些“室内”空间不仅限于家庭，还包括办公室、建筑、公共场所，以及交通工具等——因此一旦室内空气质量不佳，对人们健康的负面影响也更为严重。

而且，随着人们对于减少建筑能耗的诉求越来越强烈，现代建筑的密闭性也越来越好，这在减少室内冷气或暖气耗散到室外的同时，也使得室内空气的流通和置换速度减慢，这也会进一步加速室内污染物的聚集，导致空气质量变差。

有数据显示，室内空气污染是室外空气污染的5倍，室内空气质量也已经被列为危害公众健康的五大环境风险之一。因此，关注和改善室内空气质量的工作刻不容缓。

室内空气质量的关键指标

为了改善室内空气质量，一方面人们通过制定相关的法规和标准，划定室内空气质量的“红线”；另一方面，人们也在努力尝试通过更有效的技术手段，去优化空气质量，比如通过空调新风系统加速室内空气的流通，以物理或化学的方法吸附污染物或对其进行无害化的“中和”处理……但所有这些举措的前提，都是要对室内空气质量进行一个准确的测量。

一般来讲，衡量室内空气质量的好坏，需要监测以下几个重要的指标：

CO2（二氧化碳）

人类新陈代谢活动会吸入氧气并呼出二氧化碳，因此在封闭空间中，二氧化碳浓度与人类活动和人员密度相关，因此往往被作为空气质量优劣的标志性指标。空气中的二氧化碳浓度过高，会影响人体二氧化碳的排出和氧气的摄入，可能会导致头痛、困倦、精神萎靡等症状，或者是减弱身体抵御病原体的能力，危害健康。

氮氧化物

氮氧化物主要由化石燃料燃烧产生，会造成颗粒污染。特别是二氧化氮（NO2），会对呼吸系统造成损害。因此空气中氮氧化物浓度升高，会对人们的肺功能产生不利影响。

甲醛

甲醛是一种无色的刺激性气体，通常存在于装修材料、家具、油漆以及织物中，因此在新装修的室内空间中十分常见。较高浓度的甲醛会导致眼睛、呼吸系统的不适，长期暴露在这样的环境中还可能引发癌症等更严重的疾患。

VOC（挥发性有机化合物）

VOC是在室温或更高温度下蒸发的含碳物质。短期接触VOC，会刺激身体、导致头晕或引发哮喘；长期接触VOC，则可能会导致肺癌或损害肝脏、肾脏或神经系统。

颗粒物

主要是指一些微米级别的颗粒物，常见的如灰尘、尘螨、霉菌或花粉等，它们会导致过敏反应和诱发呼吸系统、心血管疾病。有些致病的病毒或病菌也会附着在这些细小的颗粒物上，随它们进入人体，导致疾病的传播和流行。

温湿度

温湿度也是室内空气质量的一个重要风向标。一般认为，40-60%的相对湿度是人类理想的舒适度范围，如果超出这个范围——极度干燥的空气会刺激呼吸道，而过于潮湿的空气会导致冷凝，进而引发霉菌滋生，这都会成为置身室内的处于不健康或亚健康状态的主要诱因。

掌握了上述这些关键的指标数据，你就可以对室内空气质量心知肚明，进而及时触发优化空气质量的设备，提供一个健康、舒适的室内环境。

感测室内空气质量的传感器

当然，对于这些室内空气质量的感知和洞察，离不开能够精准测量这些关键指标参数的传感器。人们对室内空气质量的关注，也为相关的传感器提供了用武之地。

如果说人们对室内空气质量传感器有什么要求，那么排在第一位的肯定是“测得准”，毕竟能够提供及时、精准地测量，是一款优秀传感器产品的基本功。不过针对室内空气测量这个应用场景，“测得准”并不是唯一的设计要求，除此之外其他的一些特性也同样十分关键。

小型化：外形紧凑的传感器，可非常方便地部署在室内空间中，或被整合进越来越多的智能设备内，实现无处不在的室内空气监测和感知。

高集成：在实现小型化的同时，越来越多的传感器被设计成一个包含完整系统的模组形态，更加方便集成和应用。同时，在单一传感器模组内集成多种传感器，实现多指标参数的测量，也是室内空气质量传感器发展的一个重要趋势。

低成本：考虑到这些传感器会被应用在很多消费级的产品中，因此在性能和成本上达到一个合理的平衡，也十分重要。

耐用性：这其中有两个含义：一是传感器需要具有出色的可靠性和鲁棒性，在长期工作中提供稳定的测量；二是需要具有低功耗的特性，以支持更长的续航能力和低维护性的需要。

易开发：为了便于与室内空气质量相关的整个自动化系统的开发，很多传感器都提供数字化的数据接口。此外，除了提供硬件，传感器厂商通常也会提供配套的软件算法，最大限度地简化开发过程。

如果你看到一款传感器能够达到上述这些要求，恭喜你，它也许就是室内空气质量监测应用所需的理想之选！

Sensirion室内空气质量传感方案

对于在室内空气质量监测域深耕多年的Sensirion来说，在其丰富的传感器产品组合中，这样的“理想之选”还真不少。今天我们就带大家来认识其中几款产品。

SGP41 CMOSens/MOXSens数字空气质量传感器

Sensirion的SGP41 CMOSens/MOXSens 数字空气质量传感器是一款完整、易用的单芯片传感器系统，内置数字I2C接口和温度控制微热板，可以提供VOC和NOx室内空气质量监测。

图1：SGP41 CMOSens/MOXSens 数字空气质量传感器

SGP41为MOX（金属氧化物）传感器。MOX材料是可变电阻器，可对所接触气体中特定的化学物质做出响应——在“干净”的空气环境中，MOX的电阻可能为数兆欧姆；而在加热条件下，如果存在特定气体，MOX材料的电阻将显著下降至数十千欧姆；当不加热和/或不接触被测气体时，MOX电阻则恢复为高阻状态。

SGP41及其气体指数算法具有较高的稳健性，可实现独特的长期稳定性和低漂移，使用寿命可超过10年；其采用2.44 mm2x 0.85mm的DFN封装，可在空间有限的应用中使用；在3.3V时功耗仅为3.2mA。

总体来讲，这是一款可靠耐用、小型化、低功耗的集成化解决方案，可以帮助客户轻松搞定室内VOC和NOx的监测。

图2：SGP41框图

SHT4x数字温湿度传感器

SHT4x数字温湿度传感器是Sensirion的第四代温湿度传感器，全系列的产品可以满足不同精度的测量要求，可在宽测量范围内提供恒定温度精度——其工作相对湿度范围为0%至100%，工作温度范围为-40°C至+125°C，可在冷凝下工作。

图3：SHT4x数字温湿度传感器

该温湿度传感器具有很宽的电压范围（1.08V至3.6V），超低的功耗（空闲电流为80nA），以及紧凑的外形（1.5mm x 1.5mm x 0.5mm小型QFN封装）。

此外，SHT4x已完全校准，具有线性化数字输出、NIST可追溯性和I2C快速模式+接口。由于采用卷带封装，很适合标准SMD组装工艺，因此无论是在开发还是在生产上，都能为用户提供很大的便利性。

图4：SHT4x数字温湿度传感器功能框图

SCD4x微型CO2传感器

SCD4x是一个“微型”的CO2和温湿度传感器，从名称中可以看出，其显著的特点就是“小”，体积仅为1cm3。之所以可以实现微型化，是因为SCD4x采用了独特的光声感测法（Photoacoustic）。

图5：传感器SCD4x微型CO2传感器

以往常见的CO2传感器采用的是非分散红外（NDIR）测量方案，其工作原理是气体被抽入或扩散到光学腔中，由于CO2对特定波长（4.26μm）的红外光有较强的吸收作用，因此通过测量光学腔中红外光线被吸收程度，就能够计算出空间中气体CO2的浓度。这种方法的特点是精度高，但是为了确保精度，对光学腔的体积有下限要求，因此注定整个方案的尺寸难于压缩。

SCD4x所采⽤的光声NDIR感测法不同：该系统的红外光源会向气室中发射一个特定频率的窄带红外光，它会激发气室中的CO2使其发生振动，这种振动会导致气体温度升高，进而导致气压升高。通过控制红外光源的开关，气室内的气压会产生周期性的变化，这种压力变化会被气室中内置的麦克风记录并转换为声波，就可以通过监测声波的参数得到气室中CO2的浓度。

这种方法无需体积较大且复杂的光学腔，因此可以将整个传感器的体积大大减小。比如，SCD4x的占位⾯积仅为基于传统NDIR技术传感器SCD30的1/5。

图6：SCD4x与采⽤传统NDIR技术的SCD30的外形比较（图源：Sensirion）

同时，在性价比、机械稳定性、传感器输出方面，基于光声NDIR感测的⽅案都有明显的优势。