1.PM2.5激光粉尘传感器

1.1 检测技术原理

激光器的定时开关（一般为200ms-500ms之间）形成两个电流信号值，此电流信号值通过信号转换器转化为电压信号，通过电压放大器把电压信号放大，然后通过MCU端计算两个电压信号的差值计算出对应的粉尘个数n与基准PM2.5检测设备输出值的对应关系。最终形成检测2.5值P与粉尘个数n之间的线性关系:

P=K*n+b

其中P为检测设备输出的2.5数值（检测设备一般选用TSI8530作为基准），K值为对应的P与离子个数n之间的线性相关性，即斜率；b为对应的截距。

通过反复拟合输出PM2.5值与离子个数n的关系，最终形成相应的线性关系，烧录到对应的传感器MCU中，形成传感器对应的数字输出值。

PID控制器可以理解为通过计算反馈风扇额定设定转速与实际转速的差值对应的占空比的差值变化进行相应的补偿，使风扇转速尽可能的接近设定额定转速，从而保证传感器对应的进气量恒定，从而保证单位时间内气流的稳定。

1.2 传感器组成

PM2.5激光粉尘传感器主要由激光模组，风扇，MCU等组成；激光模组行业主流产品为：罗姆，QSI和索尼为主，同时对于民用产品一般激光膜组的温度选择多为50℃的，而对于车规级别的多数为70℃；风扇多选用DC直流风扇，包括风普利，永诚创，台达，建准等，风扇转速一般控制在4000r/min左右，各家产品略有差异；产品的差异性主要体现在测试系统的稳定性及一致性方面。

2 甲醛传感器

2.1 甲醛传感器的种类划分

①甲醛氧化物气体传感器，灵敏度和恢复-响应特性也都达到了一定的高度，但选择性不高，主要是甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氢、氨气、酒精、液化气、汽油等的干扰，但不同的气敏元件的干扰气体不同，可采用复合掺杂的方法提高其选择性。另外，适当利用传感器的电阻-温度特性可提高甲醛气体氧化物传感器的选择性，减小材料颗粒、增大比表面积和改善气敏材料的制备工艺从而提高气敏材料的质量可以使气敏元件的灵敏度和响应-恢复特性进一步提高。

②可视化荧光甲醛传感器的选择性较好，线性响应也较好，它不需要借助任何光谱仪器就能进行可视化测定，但其恢复-响应特性和灵敏度都有待进一步提高。可用于定性和半定量的可视化的检测甲醛。

③声表面波甲醛气体传感器受温度、湿度影响，要进行温度、湿度补偿，选择性和灵敏度都不高。寻找对甲醛选择性更好，吸附力更强，敏感度更高的敏感薄膜和提高薄膜涂覆的质量是提高其气敏性能的两个方向。

④甲醛气体分子筛传感器的选择性和灵敏度都有待进一步研究，恢复-响应特性也还有待进一步提高。如果能找到新的、对甲醛吸附能力更强的吸附剂，则能提高传感器的性能。

⑤甲醛气体电子鼻（组合传感器）的抗干扰能力强，响应专一，灵敏度高，测量结果精确，检测下限低，恢复-响应特性佳，是多种传感器和计算机技术的综合应用。甲醛气体电子鼻是多种甲醛传感器复合，综合性能较好，是将来甲醛气体传感器研究的重点方向。

▲MEMS半导体甲醛传感器

▲电化学甲醛传感器及模组

甲醛传感器的检测方式包括两种方式，一种为半导体方式，一种为电化学方式，两种检测机理各有优缺点，根据不同的使用场景，具有不同的应用方式；

半导体类型甲醛传感器：主要以MOX等金属氧化物为甲醛敏感材料，主要金属氧化物包括：有半导体氧化铟、氧化锡和氧化锌等。半导体甲醛传感器在一定温度下对甲醛高度敏感，其电阻率随甲醛浓度的升高而降低。通过测量传感器的电阻变化就能检测出室内甲醛含量，但半导体传感器普遍存在灵敏度低和选择性差的不足；但同时存在寿命长的优势，因为半导体金属氧化物几乎无损耗情况，行业内统称为半永久型传感器。

电化学类型甲醛传感器：目前甲醛传感器行业的主流类型，具有一致性好，灵敏度高，响应时间和恢复时间短等特点，但也存在寿命短的问题。

对于电化学甲醛传感器，又包含两种类型，一种为选用固态电解质方案的如EC-Sence的，可以有效的解决温湿度对传感器的零点漂移影响，但同样存在因固态电解质导致的反应不均匀而出现的信号灵敏度差的问题，正常对于低浓度的检测精度不高，但对高浓度环境检测性能较好，所以也决定了此类型的传感器不太适合应用于民用环境。

2.2 检测技术原理

考虑到目前的实际应用效果，重点以电化学甲醛传感器的检测机理进行描述：

目前的甲醛传感器检测甲醛时发生如下的电化学反应：

阳极(工作电极)：HCHO+H2O→CO2+4H++4e

阴极(对电极)：O2+4H++4e-→2H2O

整个反应方程式为：HCHO+O2→CO2+H2O

电化学传感器结构比较简单，测量范围和分辨率基本能达到室内环境检测的要求，但缺点是所受干扰物质多。由于电解质与被测甲醛气体发生不可逆化学反应而被消耗，故其工作寿命短。

对于甲醛传感器的组合模块，也有相似的甲醛检测过程，但是因为增加上了VOC进行干扰气体的判断（程序逻辑算法优化），可以一定程度上降低其他气体的干扰导致的甲醛突变，同时通过温湿度传感器检测周边温度的变化，调整甲醛传感器零点漂移和温度补偿问题。

2.3 电化学甲醛传感器的组成

电化学甲醛组成一般如下图所示

1.上塑胶外壳

2.下塑胶外壳

3.透气防水过滤膜（一般有聚四氟乙烯等共聚物等制成，具有优异的防水透气性）

4.透气孔

5.电解质液（一般为硫酸磷酸等酸性电解质的一种或几种混合，也有的是以氢氧化钠、氢氧化钾等碱性电解质的一种或几种混合，也有的是用氯化钠、醋酸钾等中性电解质的一种或几种混合而成。）

6.电极（包括正负电极，目前批量化成熟产品多为两电极类产品）

7.电解基片（目前国内的一些甲醛传感器厂家通过购买达特基片进行封装而成）

8.PCBA

2.3 传感器的性能技术指标

电化学甲醛传感器模组的技术指标，以MMD1001E的为例：

MEMS 微结构气体传感器发展速度迅猛，目前主流设计结构有三种，即封闭膜式结构(Closed membrane)、桥式结构(Bridge type)和悬臂梁式结构(Suspended type)，其核心部件为信号电极、加热电极和气敏材料。对于甲醛传感器的选择，主要关注如下几个指标，从下述指标的优劣确认最合适的传感器。

1. 分辨率 在相同的检测条件下，通入与甲醛浓度相同的干扰气体，传感器电阻在甲醛和干扰气体中，相对稳态时阻值的变化量之比，即：

α = ΔR1/ ΔR2

式中ΔR1为检测甲醛气体元件电阻值的变化量，ΔR2为检测其他气体的电阻值变化量。

传感器的分辨阈值一般在0.04PPM

2. 响应时间 处于稳态下的 N 型半导体气体传感器接触到被测气体后，输出的电压值为其稳定值的90％时，所花费的时间为气体传感器的响应时间。T90 ：传感器暴露在稳定甲醛浓度下 4T90（4 倍响应时间）时间后，可以认为传感器示数达到稳定。一般为30s左右

3. 恢复时间 当被测气体被迅速排空后，N型半导体气体传感器输出的电压值回复到初态时的10％时，所花费的时间为气体传感器的恢复时间。T10一般比响应时间长一半左右，大概为60s左右。

4. 一致性 同种材料、同种工艺制作的多个气体传感器在检测同浓度的被测气体时，所输出的信号曲线的相似性。

5. 重复性 同一个传感器对被测气体进行反复多次检测后，检测同浓度的被测气体时，每次检测结果的一致性。

6.甲醛传感器的温湿度影响：电化学甲醛受温度和湿度影响较大，温度越高，输出的A/D值信号越小，对应的输出值越低；湿度越高，信号越强，对应的输出值越高。但相对来说在使用温度范围内0-40℃内，整体数据的影响大概在50%左右，而在一定的湿度范围内，相对应该比例在10%左右，所以温度对甲醛传感器的影响干扰问题必须重点考虑。

7.灵敏度：灵敏度一般是指单位气体浓度对应的被检测量（如：电阻）的变化。它的单位一般是A/ppm，Ω/ppm，1/ppm等。灵敏度和响应度（Response）既有区别又有联系。响应度通常是指一定浓度气氛下，被测量的变化值，它对应的单位是Ａ、Ｑ等。一般来说，相同的气体浓度下，响应度越大，灵敏度越高。

3 VOC传感器

3.1 VOC传感器的种类划分

VOC传感器的种类划分与甲醛传感器相似，也可粗分为半导体型传感器和电化学型传感器（其他还包括工业级的PID光离子气体传感器等）两种传感器可以从传感器的外观上加以区分。

▲MEMS封装类型VOC传感器

从检测机理上决定了，半导体型传感器及电化学类型的传感器各有优略，主要看需求及应用场景。

3.2 检测技术原理

常见VOC气体传感器根据其工作原理主要分为三大类：电学类气体传感器(如电阻、电流、阻抗、电位等)、光学类传感器(包括光谱吸收型、荧光法、可视化法等)以及质量型气体传感器(例如石英晶体微天平和表面声波气体传感器)等。按照气敏材料可以分为半导体金属氧化物材料、有机聚合物材料、无机-有机复合材料等。近年来，气体传感器的发展趋势是微型化、智能化和多功能化。

3.2.1 电学类VOC传感器

电学类VOC传感器的检测原理为VOC气体与气敏材料的表面产生吸附或者反应(物理吸附或者化学吸附)，从而引起其电学性质(如电阻、电流、阻抗、电位等)的变化。其中基于半导体金属氧化物的电导型VOC传感器应用最为广泛，在当前的气体传感领域中占有重要的地位。按照其对气体电学检测装置来分，可分为常见的双电极电导型检测系统和三电极场效应管检测系统。

电化学或半导体VOC传感器使用过程中，都存在传感器加热组件，使反应介质的温度升高到300℃左右，通过高温使进入传感器上的气体气化，气化过程中检测到电信号的变化，进而转化为相应的数值浓度的过程。

对于此类型传感器，多数的空净行业应用为定性显示趋势，然后用优良中差的方式展示室内气态污染物的变化情况，同时由于VOC检测基准的规范性无法准确判定传感器实际显示值与实际情况的偏差情况；绝大多数气态污染物的标定物质选择酒精作为标定气体，而标准的标定气体应该选用异丁烯可能更接近于VOC的真实情况。

下图为截取的MMD1013S VOC传感器模块的部分参数说明：

与其他气态传感器相似，参数指标的关注点主要为：响应时间，恢复时间，检测范围，灵敏度及衰减--信号强度指标等，同时要考虑传感器的“中毒”现象。

如果考虑数显的问题，就需要关注传感器本身的一致性及衰减情况，需要在应用前提前预估好可能的使用场景等。

4.CO2传感器

▲NIDR红外二氧化碳传感器

目前相对准确性高，普及率广的二氧化碳传感器主要是红外吸收式二氧化碳传感器。红外吸收式二氧化碳传感器优势在于测量精度高、选择型好、敏感性与精度高、不受气体浓度影响。