家電類產品對傳感器的應用

家電類產品隨著消費者對檢測可視化及便于感知的需求，對于不同類型的傳感器的應用也各有不同，此文重點展示現有應用比較廣泛的家電類產品所涉及到的傳感器，傳感器包括PM2．5粉塵傳感器，甲醛傳感器，VOC傳感器，溫濕度傳感器，CO2傳感器等等，對傳感器的發展情況、技術原理和技術水平現狀、現有主要廠家、主要產品和應用情況等進行匯總總結。

1．PM2．5激光粉塵傳感器

1．1 檢測技術原理

激光器的定時開關（一般為200ms－500ms之間）形成兩個電流信號值，此電流信號值通過信號轉換器轉化為電壓信號，通過電壓放大器把電壓信號放大，然后通過MCU端計算兩個電壓信號的差值計算出對應的粉塵個數n與基準PM2．5檢測設備輸出值的對應關系。最終形成檢測2．5值P與粉塵個數n之間的線性關系：

P＝K＊n＋b

其中P為檢測設備輸出的2．5數值（檢測設備一般選用TSI8530作為基準），K值為對應的P與離子個數n之間的線性相關性，即斜率；b為對應的截距。

通過反復擬合輸出PM2．5值與離子個數n的關系，最終形成相應的線性關系，燒錄到對應的傳感器MCU中，形成傳感器對應的數字輸出值。

PID控制器可以理解為通過計算反饋風扇額定設定轉速與實際轉速的差值對應的占空比的差值變化進行相應的補償，使風扇轉速盡可能的接近設定額定轉速，從而保證傳感器對應的進氣量恒定，從而保證單位時間內氣流的穩定。

1．2 傳感器組成

PM2．5激光粉塵傳感器主要由激光模組，風扇，MCU等組成；激光膜組行業主流產品為：羅姆，QSI和索尼為主，同時對于民用產品一般激光膜組的溫度選擇多為50℃的，而對于車規級別的多數為70℃；風扇多選用DC直流風扇，包括風普利，永誠創，臺達，建準等，風扇轉速一般控制在4000r／min左右，各家產品略有差異；產品的差異性主要體現在測試系統的穩定性及一致性方面。

1．3 傳感器的性能技術指標

目前此行業相對技術比較成熟，技術指標基本上都控制在100μg／m？以內為±10μg／m？，100μg／m？以上標稱都為±10％的偏差！

但同時不可避免的存在著因為各家傳感器標定篩選過程的差異，會導致產品及品牌的認知度存在不小的差異！

傳感器驗證四步法：demo板接10pcs傳感器，然后正常使用情況下連續工作1個月左右（過程中可一段時間用香煙刺激一次，看傳感器數據的變化?。?，然后聽傳感器是否有異音等問題，看傳感器數據一致性是否有變化，摸傳感器震動是否超標或過大；對于正常的傳感器來說，只需要保證傳感器本身的一致性就可以，無需去強調判斷傳感器的準確性（準確性是相對的，而且根據傳感器所裝結構的差異，也會存在測試調試過程）；部分傳感器存在正常使用很難到0的問題，這個跟傳感器廠家本身對傳感器的設定有關，驗證方法為：用手堵住傳感器進氣口后觀察傳感器能否在3－5s內到0。

另：用此類家用級別的激光粉塵傳感器測試PM10，此數據的來源大多數廠家通過比例系數換算的方式獲取，所以用2．5傳感器顯示PM10準確性很差，這也跟PM10在空氣中的運行方式及不均勻性有關。

1．4 PM2．5傳感器推薦

日本figaro 激光顆粒物傳感器 PM2．5傳感器 － TF－LP01是利用散射原理對空氣中粉塵顆粒進行檢測的小型模組，具備體積小、檢測精度高、重復性好、一致性好、實時響應可連續采集、抗干擾能力強、采用超靜音風扇，傳感器出廠100％檢測和標定等優點。

日本figaro 激光顆粒物傳感器 PM2．5傳感器TF－LP01特點：

檢測精度高

響應時間短

產品小型化

日本figaro 激光顆粒物傳感器 PM2．5傳感器TF－LP01應用：

空氣凈化器、便攜式空氣質量檢測設備、智能家居等場所。

2 甲醛傳感器

2．1 甲醛傳感器的種類劃分

①甲醛氧化物氣體傳感器，靈敏度和恢復－響應特性也都達到了一定的高度，但選擇性不高，主要是甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氫、氨氣、酒精、液化氣、汽油等的干擾，但不同的氣敏元件的干擾氣體不同，可采用復合摻雜的方法提高其選擇性。另外，適當利用傳感器的電阻－溫度特性可提高甲醛氣體氧化物傳感器的選擇性，減小材料顆粒、增大比表面積和改善氣敏材料的制備工藝從而提高氣敏材料的質量可以使氣敏元件的靈敏度和響應－恢復特性進一步提高。

②可視化熒光甲醛傳感器的選擇性較好，線性響應也較好，它不需要借助任何光譜儀器就能進行可視化測定，但其恢復－響應特性和靈敏度都有待進一步提高?？捎糜诙ㄐ院桶攵康目梢暬臋z測甲醛。 ③聲表面波甲醛氣體傳感器受溫度、濕度影響，要進行溫度、濕度補償，選擇性和靈敏度都不高。尋找對甲醛選擇性更好，吸附力更強，敏感度更高的敏感薄膜和提高薄膜涂覆的質量是提高其氣敏性能的兩個方向。

④甲醛氣體分子篩傳感器的選擇性和靈敏度都有待進一步研究，恢復－響應特性也還有待進一步提高。如果能找到新的、對甲醛吸附能力更強的吸附劑，則能提高傳感器的性能。

⑤甲醛氣體電子鼻（組合傳感器）的抗干擾能力強，響應專一，靈敏度高，測量結果精確，檢測下限低，恢復－響應特性佳，是多種傳感器和計算機技術的綜合應用。甲醛氣體電子鼻是多種甲醛傳感器復合，綜合性能較好，是將來甲醛氣體傳感器研究的重點方向。

甲醛傳感器的檢測方式包括兩種方式，一種為半導體方式，一種為電化學方式，兩種檢測機理各有優缺點，根據不同的使用場景，具有不同的應用方式；

半導體類型甲醛傳感器：主要以MOX等金屬氧化物為甲醛敏感材料，主要金屬氧化物包括：有半導體氧化銦、氧化錫和氧化鋅等。半導體甲醛傳感器在一定溫度下對甲醛高度敏感，其電阻率隨甲醛濃度的升高而降低。通過測量傳感器的電阻變化就能檢測出室內甲醛含量，但半導體傳感器普遍存在靈敏度低和選擇性差的不足；但同時存在壽命長的優勢，因為半導體金屬氧化物幾乎無損耗情況，行業內統稱為半永久型傳感器。

電化學類型甲醛傳感器：目前甲醛傳感器行業的主流類型，具有一致性好，靈敏度高，響應時間和恢復時間短等特點，但也存在壽命短的問題。

對于電化學甲醛傳感器，又包含兩種類型，一種為選用固態電解質方案的如EC－Sence的，可以有效的解決溫濕度對傳感器的零點漂移影響，但同樣存在因固態電解質導致的反應不均勻而出現的信號靈敏度差的問題，正常對于低濃度的檢測精度不高，但對高濃度環境檢測性能較好，所以也決定了此類型的傳感器不太適合應用于民用環境。

2．2 檢測技術原理

考慮到目前的實際應用效果，重點以電化學甲醛傳感器的檢測機理進行描述：

目前的甲醛傳感器檢測甲醛時發生如下的電化學反應：

陽極（工作電極）：HCHO＋H2O→CO2＋4H＋＋4e

陰極（對電極）：O2＋4H＋＋4e－→2H2O

整個反應方程式為：HCHO＋O2→CO2＋H2O

電化學傳感器結構比較簡單，測量范圍和分辨率基本能達到室內環境檢測的要求，但缺點是所受干擾物質多。由于電解質與被測甲醛氣體發生不可逆化學反應而被消耗，故其工作壽命短。

對于甲醛傳感器的組合模塊，也有相似的甲醛檢測過程，但是因為增加上了VOC進行干擾氣體的判斷（程序邏輯算法優化），可以一定程度上降低其他氣體的干擾導致的甲醛突變，同時通過溫濕度傳感器檢測周邊溫度的變化，調整甲醛傳感器零點漂移和溫度補償問題。

2．3 電化學甲醛傳感器的組成

電化學甲醛組成一般如下圖所示

1．上塑膠外殼

2．下塑膠外殼

3．透氣防水過濾膜（一般有聚四氟乙烯等共聚物等制成，具有優異的防水透氣性）

4．透氣孔

5．電解質液（一般為硫酸磷酸等酸性電解質的一種或幾種混合，也有的是以氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿性電解質的一種或幾種混合，也有的是用氯化鈉、醋酸鉀等中性電解質的一種或幾種混合而成。）

6．電極（包括正負電極，目前批量化成熟產品多為兩電極類產品）

7．電解基片（目前國內的一些甲醛傳感器廠家通過購買達特基片進行封裝而成）

8．PCBA

當氣體通過擴散方式進入到傳感器中時，測其化學性質（如電流，電位，電量等）的變化則可實現物質及含量的測定，傳感器的正電極和負電極由一個電解質液隔開，電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作，氣體通過微小的透氣孔與傳感器產生反應，然后再經過透氣防水過濾膜，到達電極表面，氣體與傳感器電極發生反應，以產生充分的電信號，同時防止電解質液出傳感器，通過透氣防水過濾膜擴散的氣體與傳感器電極發生反應，傳感的電極可以采用氧化反應和還原反應的機理，這些反應由針對備測氣體而設計的電極材料進行催化，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正電極與負電極之間流動，通過測量該電流的大小即可確定氣體濃度。

2．3 傳感器的性能技術指標

電化學甲醛傳感器的技術指標，各廠家標稱的參數差別不大

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MEMS 微結構氣體傳感器發展速度迅猛，目前主流設計結構有三種，即封閉膜式結構（Closed membrane）、橋式結構（Bridge type）和懸臂梁式結構（Suspended type），其核心部件為信號電極、加熱電極和氣敏材料。對于甲醛傳感器的選擇，主要關注如下幾個指標，從下述指標的優劣確認最合適的傳感器。

1． 分辨率 在相同的檢測條件下，通入與甲醛濃度相同的干擾氣體，傳感器電阻在甲醛和干擾氣體中，相對穩態時阻值的變化量之比，即：

α ＝ ΔR1／ ΔR2

式中ΔR1為檢測甲醛氣體元件電阻值的變化量，ΔR2為檢測其他氣體的電阻值變化量。

傳感器的分辨閾值一般在0．05mg／m。

2． 響應時間 處于穩態下的 N 型半導體氣體傳感器接觸到被測氣體后，輸出的電壓值為其穩定值的90％時，所花費的時間為氣體傳感器的響應時間。T90 ：傳感器暴露在穩定甲醛濃度下 4T90（4 倍響應時間）時間后，可以認為傳感器示數達到穩定。一般為30s左右

3． 恢復時間 當被測氣體被迅速排空后，N型半導體氣體傳感器輸出的電壓值回復到初態時的10％時，所花費的時間為氣體傳感器的恢復時間。 T10一般比響應時間長一半左右，大概為45s左右。

4． 一致性 同種材料、同種工藝制作的多個氣體傳感器在檢測同濃度的被測氣體時，所輸出的信號曲線的相似性。

5． 重復性 同一個傳感器對被測氣體進行反復多次檢測后，檢測同濃度的被測氣體時，每次檢測結果的一致性。

6．甲醛傳感器的溫濕度影響：電化學甲醛受溫度和濕度影響較大，溫度越高，輸出的A／D值信號越小，對應的輸出值越低；濕度越高，信號越強，對應的輸出值越高。但相對來說在使用溫度范圍內0－40℃內，整體數據的影響大概在50％左右，而在一定的濕度范圍內，相對應該比例在10％左右，所以溫度對甲醛傳感器的影響干擾問題必須重點考慮。

7．靈敏度：靈敏度一般是指單位氣體濃度對應的被檢測量（如：電阻）的變化。它的單位一般是A／ppm，Ω／ppm，1／ppm等。靈敏度和響應度（Response）既有區別又有聯系。響應度通常是指一定濃度氣氛下，被測量的變化值，它對應的單位是Ａ、Ｑ等。一般來說，相同的氣體濃度下，響應度越大，靈敏度越高。

通過對電化學甲醛傳感器響應與恢復時間、靈敏度、檢出限、分辨力、有效量程、使用壽命和不確定度全面的測試調研，分析其離散程度，求得各指標客觀權重及各層級分項指標的隸屬度。

其中傳感器的不確定度是通過分析具體實驗結果，采用相應的不確定度分量評定方法進行估算的。

2．4 甲醛傳感器推薦

TB600B 系列甲醛檢測模組匯集了諸多來自德國的高精度檢測技術，以及德國團 隊的設計理念，核心傳感器采用全球電化學領域體積最小的德國 EC yense 固態聚合物甲醛傳感器。可以替代我們的鼻子去精準嗅出甲醛濃度， 實現精準甲醛氣體的監測。 UART 數字式信號輸出，省去了客戶對傳感器應用的了解，以及校準的繁瑣工作。

德國EC sensor 甲醛傳感器 TB600B特點：

精度高，壽命長

響應速度快，回零快、即插即用

抗中毒性好

使用簡單，UART數字信號輸出

德國傳感器耐久可靠

優良的精度、可重復性、線性、一致性

無需核準，零點無漂移

抗電磁干擾能力強

帶固定安裝孔，方便安裝

第四代甲醛傳感器，配方、材料、生產工藝全新改良升級

極強的抗干擾性能，對低濃度乙醇、CO 、芳香烴、異味、煙氣，空氣 清新劑等有很好的抗干擾能力

全新的微電路設計，即插即用，無需長時間暖機 ＜ 快速響應，快速回零

獨立溫濕度數字傳感器，結合智能算法，環境適應性更強，檢測更準確 并長期穩定。

德國EC sensor 甲醛傳感器 TB600B應用：

家居及商業場所裝飾家具及材料產生的甲醛氣體

家居及商業裝修后空氣污染檢測

空氣凈化器／ 新風系統

凈化的效果狀況，隨時隨地可以通過對空氣中甲醛的檢測，對凈化前和凈化后的空氣品質進行監控，實現自動控制凈化和新風設備，實現高效除甲醛，達到潔凈的空氣環境。車內空氣污染檢測

在車內鼻子產生了適應性，該檢測模組可以實時對空氣進行檢測，實現與空調聯動進行內循環或者外尋循環設置，或者提示開窗通風，或聯動車載空氣凈化器，確保良好的車內空氣品質，保證自己是健康和舒適度。

3 VOC傳感器／空氣質量傳感器

3．1 VOC傳感器的種類劃分

VOC傳感器的種類劃分與甲醛傳感器相似，也可粗分為半導體型傳感器和電化學型傳感器（其他還包括工業級的PID光離子氣體傳感器等）兩種傳感器可以從傳感器的外觀上加以區分，如下圖所示：

半導體類型VOC傳感器

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電化學類型VOC傳感器

從檢測機理上決定了，半導體型傳感器一致性會稍差，但由于金屬氧化物的氧化特性，具有半永久特性；電化學傳感器因隨著電解質的消耗，會存在零點漂移及壽命問題，但一致性會較好。

3．2 檢測技術原理

常見VOC氣體傳感器根據其工作原理主要分為三大類：電化學氣體傳感器（如電阻、電流、阻抗、電位等）、光學類傳感器（包括光譜吸收型、熒光法、可視化法等）以及質量型氣體傳感器（例如石英晶體微天平和表面聲波氣體傳感器）等。按照氣敏材料可以分為半導體金屬氧化物材料、有機聚合物材料、無機－有機復合材料等。近年來，氣體傳感器的發展趨勢是微型化、智能化和多功能化。

3．2．1 電化學VOC傳感器

電化學VOC傳感器的檢測原理為VOC氣體與氣敏材料的表面產生吸附或者反應（物理吸附或者化學吸附），從而引起其電學性質（如電阻、電流、阻抗、電位等）的變化。其中基于半導體金屬氧化物的電導型VOC傳感器應用最為廣泛，在當前的氣體傳感領域中占有重要的地位。按照其對氣體電學檢測裝置來分，可分為常見的雙電極電導型檢測系統和三電極場效應管檢測系統。按照VOC電學氣敏材料可以分為半導體金屬氧化物、導電聚合物、納米材料（典型的納米材料如零維金納米簇、一維碳納米管或硅納米線以及多維石墨烯等）以及多孔材料等。

電化學或半導體VOC傳感器使用過程中，都存在傳感器加熱組件，使反應介質的溫度升高到300℃左右，通過高溫使進入傳感器上的氣體氣化，氣化過程中檢測到電信號的變化，進而轉化為相應的數值濃度的過程。

3．2．2 光學VOC傳感器（高端儀器）

基于光學信號的氣體傳感器具有抗電磁場干擾性強，快速靈敏，易于實現對有機氣體的在線監測模式等優點。按照工作原理來分，光學傳感器的種類有反射干涉法、紫外可見吸光光度法、基于顏色變化的可視化法、熒光法、表面等離子共振法以及光纖傳感技術等。光學氣敏材料有傳統的卟啉及金屬卟啉類、熒光染料分子、pH指示劑以及新型的仿生光子晶體等。

3．3 傳感器性能技術指標

對于此類型傳感器，多數的空凈行業應用為定性顯示趨勢，然后用優良中差的方式展示室內氣態污染物的變化情況，同時由于VOC檢測基準的規范性無法準確判定傳感器實際顯示值與實際情況的偏差情況；絕大多數氣態污染物的標定物質選擇酒精作為標定氣體，而標準的標定氣體應該選用異丁烯可能更接近于VOC的真實情況。

下圖為截取的Fis VOC傳感器模塊的部分參數說明

與其他氣態傳感器相似，參數指標的關注點主要為：響應時間，恢復時間，檢測范圍，靈敏度及衰減－－信號強度指標等，同時要考慮傳感器的“中毒”現象。

如果考慮數顯的問題，就需要關注傳感器本身的一致性及衰減情況，需要在應用前提前預估好可能的使用場景等。

3．4 主要傳感器推薦

空氣質量傳感器TGS2602對低濃度氣味的氣體具有很高的靈敏度，這樣還可以對辦公室與家庭環境中的廢棄物所產生的氨、硫化氫等氣體進行檢測。該傳感器還對木材精加工與建材產品中的VOC揮發性氣體如甲苯有很高的靈敏度。由于實現了小型化，加熱器電流僅需56mA，外殼采用標準的TO－5金屬封裝。

空氣質量傳感器TGS2602特點：

＊ 對VOC與氣味有高靈敏度

＊ 低功耗

＊ 對污染空氣有高靈敏度

＊ 使用壽命長

＊ 應用電路簡單

＊ 體積小

空氣質量傳感器TGS2602有以下用途：

1．確定某一環境中臭味的發生源以及檢驗除臭劑的效果；

2．判斷食品的鮮度以及調查某種保存方法下食品劣化的速度；

3 檢測已刷涂料或油漆的氣味濃度以確定它們的干燥程度；

4．利用比較器的輸出電壓去控制排風機的開、關，自動保持局部環境的空氣清潔。

4．CO2傳感器

4．1 CO2傳感器的種類劃分

目前相對準確性高，普及率廣的二氧化碳傳感器主要是紅外吸收式二氧化碳傳感器。紅外吸收式二氧化碳傳感器優勢在于測量精度高、選擇型好、敏感性與精度高、不受氣體濃度影響。此外，還有一些電化學氣敏電極式、半導體式、固體電解質、敏感薄層式等類型的二氧化碳傳感器。其中，電化學氣敏電極式二氧化碳傳感器屬于pH傳感器，容易受各種酸堿氣體干擾，且電極中的玻璃膜易受干擾、響應時間長；半導體式二氧化碳傳感器選擇性差， 誤報率較高，且不穩定，易受環境因素影響；固體電解質式二氧化碳傳感器材料機械性能 差，價格昂貴，且需要高溫工作環境。

同時有一些VOC傳感器通過等效顯示CO2的方式，展示相應的CO2濃度，原理上描述為：室內環境產生的CO2都是人體活動產生的，人體活動過程中會伴隨著其他碳氫化合物（VOC）的釋放，通過一定的換算關系實現VOC與aCO2之間的比例換算，從而實現類似于檢測CO2的效果。

4．2 檢測技術原理

結合目前產品的應用及等效CO2效果較差的情況，本文重點介紹紅外吸收式二氧化碳傳感器的技術原理。

二氧化碳傳感器的結構，不管外觀差異多少，最終的組成部分不外乎如下幾項：防水透氣膜，PCBA（光源＋光電轉換器）及光室（光通過時光路的檢測“暗室”）等組成。當空氣中的CO2通過擴散方式進入到檢測光路中時，通過把光信號轉化為電信號的形式輸出出來，通過與標準儀器的標定換算出兩者的線性關系。

紅外CO2傳感器根據測量方式的不同，可分為單通道和雙通道，具體檢測機理區別

大氣通過擴散作用通過防水透氣膜進入到光路中，紅外光源發出紅外光照射到反射弧形面（弧形面的斜率一般控制在30－60°），紅外光通過照射或穿透CO2氣體時，會產生光強的變化，此變化在熱點堆處，通過把光強信號轉化為電信號，輸出，形成對應的CO2濃度。

從技術原理上，單光源雙光束方案，能夠有效的降低光源衰減對傳感器壽命的影響，可以提高傳感器的使用壽命，提高傳感器的穩定性。

4．3 傳感器性能技術指標

以SenseAir S8為例，對于CO2傳感器，我們關注點主要包括：測量范圍，精度，重復性，響應時間，一致性，耐候性（工作溫度區間），功耗和壽命。

4．4 主要傳感器推薦

推薦使用日本進口CO2傳感器CDM7160，該傳感器采用單光源雙波長模式，具有精度高、長期性能穩定、壽命長、體積小等優勢。

CDM7160紅外二氧化碳傳感器（NDIR CO2傳感器） 特點：

體積小

紅外工作原理

雙通道

性能穩定

精度高

CDM7160紅外二氧化碳傳感器模塊（NDIR CO2傳感器） 應用：

室內空氣質量控制

新鮮空氣通風

空調

風扇和窗戶自動開啟機

醫院、圖書館、公共基礎設施等室內空氣質量在線監測系統

汽車車廂內空氣流通控制
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