【導讀】今天，當我們查詢電氣預報時，除了陰晴雨雪和溫度這些常規的信息之外，還會對“大氣污染指數”格外關注，因為大家都知道，空氣質量的優劣與人們的身體健康息息相關。不過你是否意識到，當我們普遍對“宏觀”的室外空氣質量變得越發在意時，對于“微觀”的室內空氣質量也需要投以同樣的，甚至是更多的關注。
室內空氣質量（Indoor Air Quality，IAQ）之所以更重要，是因為有研究數據表明，人們約80%到90%的時間都是在封閉的室內度過的——這些“室內”空間不僅限于家庭，還包括辦公室、建筑、公共場所，以及交通工具等——因此一旦室內空氣質量不佳，對人們健康的負面影響也更為嚴重。
而且，隨著人們對于減少建筑能耗的訴求越來越強烈，現代建筑的密閉性也越來越好，這在減少室內冷氣或暖氣耗散到室外的同時，也使得室內空氣的流通和置換速度減慢，這也會進一步加速室內污染物的聚集，導致空氣質量變差。
有數據顯示，室內空氣污染是室外空氣污染的5倍，室內空氣質量也已經被列為危害公眾健康的五大環境風險之一。因此，關注和改善室內空氣質量的工作刻不容緩。
室內空氣質量的關鍵指標
為了改善室內空氣質量，一方面人們通過制定相關的法規和標準，劃定室內空氣質量的“紅線”；另一方面，人們也在努力嘗試通過更有效的技術手段，去優化空氣質量，比如通過空調新風系統加速室內空氣的流通，以物理或化學的方法吸附污染物或對其進行無害化的“中和”處理……但所有這些舉措的前提，都是要對室內空氣質量進行一個準確的測量。
一般來講，衡量室內空氣質量的好壞，需要監測以下幾個重要的指標：
CO2（二氧化碳）
人類新陳代謝活動會吸入氧氣并呼出二氧化碳，因此在封閉空間中，二氧化碳濃度與人類活動和人員密度相關，因此往往被作為空氣質量優劣的標志性指標。空氣中的二氧化碳濃度過高，會影響人體二氧化碳的排出和氧氣的攝入，可能會導致頭痛、困倦、精神萎靡等癥狀，或者是減弱身體抵御病原體的能力，危害健康。
氮氧化物
氮氧化物主要由化石燃料燃燒產生，會造成顆粒污染。特別是二氧化氮（NO2），會對呼吸系統造成損害。因此空氣中氮氧化物濃度升高，會對人們的肺功能產生不利影響。
甲醛
甲醛是一種無色的刺激性氣體，通常存在于裝修材料、家具、油漆以及織物中，因此在新裝修的室內空間中十分常見。較高濃度的甲醛會導致眼睛、呼吸系統的不適，長期暴露在這樣的環境中還可能引發癌癥等更嚴重的疾患。
VOC（揮發性有機化合物）
VOC是在室溫或更高溫度下蒸發的含碳物質。短期接觸VOC，會刺激身體、導致頭暈或引發哮喘；長期接觸VOC，則可能會導致肺癌或損害肝臟、腎臟或神經系統。
顆粒物
主要是指一些微米級別的顆粒物，常見的如灰塵、塵螨、霉菌或花粉等，它們會導致過敏反應和誘發呼吸系統、心血管疾病。有些致病的病毒或病菌也會附著在這些細小的顆粒物上，隨它們進入人體，導致疾病的傳播和流行。
溫濕度
溫濕度也是室內空氣質量的一個重要風向標。一般認為，40-60%的相對濕度是人類理想的舒適度范圍，如果超出這個范圍——極度干燥的空氣會刺激呼吸道，而過于潮濕的空氣會導致冷凝，進而引發霉菌滋生，這都會成為置身室內的處于不健康或亞健康狀態的主要誘因。
掌握了上述這些關鍵的指標數據，你就可以對室內空氣質量心知肚明，進而及時觸發優化空氣質量的設備，提供一個健康、舒適的室內環境。
感測室內空氣質量的傳感器
當然，對于這些室內空氣質量的感知和洞察，離不開能夠精準測量這些關鍵指標參數的傳感器。人們對室內空氣質量的關注，也為相關的傳感器提供了用武之地。
如果說人們對室內空氣質量傳感器有什么要求，那么排在第一位的肯定是“測得準”，畢竟能夠提供及時、精準地測量，是一款優秀傳感器產品的基本功。不過針對室內空氣測量這個應用場景，“測得準”并不是唯一的設計要求，除此之外其他的一些特性也同樣十分關鍵。
小型化：外形緊湊的傳感器，可非常方便地部署在室內空間中，或被整合進越來越多的智能設備內，實現無處不在的室內空氣監測和感知。
高集成：在實現小型化的同時，越來越多的傳感器被設計成一個包含完整系統的模組形態，更加方便集成和應用。同時，在單一傳感器模組內集成多種傳感器，實現多指標參數的測量，也是室內空氣質量傳感器發展的一個重要趨勢。
低成本：考慮到這些傳感器會被應用在很多消費級的產品中，因此在性能和成本上達到一個合理的平衡，也十分重要。
耐用性：這其中有兩個含義：一是傳感器需要具有出色的可靠性和魯棒性，在長期工作中提供穩定的測量；二是需要具有低功耗的特性，以支持更長的續航能力和低維護性的需要。
易開發：為了便于與室內空氣質量相關的整個自動化系統的開發，很多傳感器都提供數字化的數據接口。此外，除了提供硬件，傳感器廠商通常也會提供配套的軟件算法，最大限度地簡化開發過程。
如果你看到一款傳感器能夠達到上述這些要求，恭喜你，它也許就是室內空氣質量監測應用所需的理想之選！
Sensirion室內空氣質量傳感方案
對于在室內空氣質量監測域深耕多年的Sensirion來說，在其豐富的傳感器產品組合中，這樣的“理想之選”還真不少。今天我們就帶大家來認識其中幾款產品。
SGP41 CMOSens?/MOXSens?數字空氣質量傳感器
Sensirion的SGP41 CMOSens?/MOXSens? 數字空氣質量傳感器是一款完整、易用的單芯片傳感器系統，內置數字I2C接口和溫度控制微熱板，可以提供VOC和NOx室內空氣質量監測。
圖1：SGP41 CMOSens/MOXSens 數字空氣質量傳感器
（圖源：Sensirion）
SGP41為MOX（金屬氧化物）傳感器。MOX材料是可變電阻器，可對所接觸氣體中特定的化學物質做出響應——在“干凈”的空氣環境中，MOX的電阻可能為數兆歐姆；而在加熱條件下，如果存在特定氣體，MOX材料的電阻將顯著下降至數十千歐姆；當不加熱和/或不接觸被測氣體時，MOX電阻則恢復為高阻狀態。
SGP41及其氣體指數算法具有較高的穩健性，可實現獨特的長期穩定性和低漂移，使用壽命可超過10年；其采用2.44 mm2x 0.85mm的DFN封裝，可在空間有限的應用中使用；在3.3V時功耗僅為3.2mA。
總體來講，這是一款可靠耐用、小型化、低功耗的集成化解決方案，可以幫助客戶輕松搞定室內VOC和NOx的監測。
圖2：SGP41框圖
（圖源：Sensirion）
SHT4x數字溫濕度傳感器
SHT4x數字溫濕度傳感器是Sensirion的第四代溫濕度傳感器，全系列的產品可以滿足不同精度的測量要求，可在寬測量范圍內提供恒定溫度精度——其工作相對濕度范圍為0%至100%，工作溫度范圍為-40°C至+125°C，可在冷凝下工作。
圖3：SHT4x數字溫濕度傳感器
（圖源：Sensirion）
該溫濕度傳感器具有很寬的電壓范圍（1.08V至3.6V），超低的功耗（空閑電流為80nA），以及緊湊的外形（1.5mm x 1.5mm x 0.5mm小型QFN封裝）。
此外，SHT4x已完全校準，具有線性化數字輸出、NIST可追溯性和I2C快速模式+接口。由于采用卷帶封裝，很適合標準SMD組裝工藝，因此無論是在開發還是在生產上，都能為用戶提供很大的便利性。
圖4：SHT4x數字溫濕度傳感器功能框圖
（圖源：Sensirion）
SCD4x微型CO2傳感器
SCD4x是一個“微型”的CO2和溫濕度傳感器，從名稱中可以看出，其顯著的特點就是“小”，體積僅為1cm3。之所以可以實現微型化，是因為SCD4x采用了獨特的光聲感測法（Photoacoustic）。
圖5：傳感器SCD4x微型CO2傳感器
（圖源：Sensirion）
以往常見的CO2傳感器采用的是非分散紅外（NDIR）測量方案，其工作原理是氣體被抽入或擴散到光學腔中，由于CO2對特定波長（4.26μm）的紅外光有較強的吸收作用，因此通過測量光學腔中紅外光線被吸收程度，就能夠計算出空間中氣體CO2的濃度。這種方法的特點是精度高，但是為了確保精度，對光學腔的體積有下限要求，因此注定整個方案的尺寸難于壓縮。
SCD4x所采?的光聲NDIR感測法不同：該系統的紅外光源會向氣室中發射一個特定頻率的窄帶紅外光，它會激發氣室中的CO2使其發生振動，這種振動會導致氣體溫度升高，進而導致氣壓升高。通過控制紅外光源的開關，氣室內的氣壓會產生周期性的變化，這種壓力變化會被氣室中內置的麥克風記錄并轉換為聲波，就可以通過監測聲波的參數得到氣室中CO2的濃度。
這種方法無需體積較大且復雜的光學腔，因此可以將整個傳感器的體積大大減小。比如，SCD4x的占位?積僅為基于傳統NDIR技術傳感器SCD30的1/5。
圖6：SCD4x與采?傳統NDIR技術的SCD30的外形比較（圖源：Sensirion）
同時，在性價比、機械穩定性、傳感器輸出方面，基于光聲NDIR感測的?案都有明顯的優勢。
圖7：與傳統透射式NDIR?案相比，基于光聲NDIR感測的SCD4x具有顯著的優勢（圖源：Sensirion）
除了上述的優勢特性，SCD4x系列傳感器還集成了優質的濕度和溫度傳感器，可提供兩個額外傳感器輸出，可滿足智慧城市、物聯網、汽車、暖通空調、家電和消費品等不同應用領域的要求。
圖8：SCD4x 光聲NDIR CO2傳感器功能框圖
（圖源：Sensirion）
SEN5x環境傳感器節點
細心地小伙伴們可能已經注意到，在上面這幾款Sensirion空氣質量傳感器中，在單一器件中已經可以實現多個指標的測量，比如SCD4x就同時可以監測CO2和溫濕度。不過要論“多合一”測量的高手，還得是SEN5x一體化空氣質量傳感器。
圖9：SEN5x環境傳感器節點
（圖源：Sensirion）
SEN5x環境傳感器節點集顆粒物質（PM1.0/PM2.5/PM4.0/PM10）、VOC、相對濕度和溫度傳感于?體，構成了?個完整的環境傳感器模組。Sensirion提供的專有算法，可以實現溫度和濕度補償、VOC指數計算等功能，使得SEN5x可以很方便地集成到暖通空調和空氣質量應用中。
SEN5x具有4.5V至5.5V的電壓范圍，5V時的平均電流消耗為63mA；優化的鞘流技術令其具有很高的防塵性，使用壽命長；它還具有一個I2C接口，可與主控MCU進行通信。
圖10：SEN5x框圖
（圖源：Sensirion）
SEN5x系列傳感器包括完整的產品組合，提供不同的配置，用戶可以根據自己的目標應用選擇合適的物料。
圖11：SEN5x系列產品特性比較
（圖源：Sensirion）
本文小結
當我們邁入智能化時代，身邊的傳感器也越來越多越來越多，也越來越智能。空氣質量傳感器是我們日常生活中高頻使用，能夠滿足人們健康“剛需”的關鍵技術和產品，隨著人們提升室內空氣質量訴求的強化，相關傳感器也將迎來一波持續的增長。
不過，隨著市場的發展，對于空氣質量傳感器的要求也在升級，除了精準的測量，這些傳感器在小型化、集成度、性價比、耐用性、低功耗，以及易用性等諸多方面也都要不斷精進。
在這些方面，Sensirion提供了一系列標桿性的產品，可以幫你快速上手、一探空氣質量的究竟。想在室內空氣監測領域有所作為的小伙伴，快來了解一下吧！
來源：Mouser
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