什么是 NDIR ( 非分散型红外线 ) ?

二氧化碳传感器

NDIR 方式气体传感器利用气体分子 ( 例如 : CO2) 吸收红外线的性质计算其浓度。因此,NDIR 方式气体传感器搭载了发射红外线的红外线光源和检测红外线的红外线传感器,NDIR 方式气体传感器的性能因搭载的红外线光源和红外线传感器的种类而异。在这里介绍一下 NDIR 方式的原理和构成部件的红外线光源和气体传感器。

构成部件其一 : 红外线光源 (Light emitter)

红外线光源可分为光型和热型两大类。光型是利用半导体中的电子和电洞重新结合的特性,将电流直接转换为光的方法。热型是使电流通过发热电阻,加热物体使其发光的方式。将各方式结合具体的产品特性进行说明。

下表比较了 3 种红外线光源。 ( ✓ 为优点,× 为缺点。) 

图 1. NDIR 方式 CO2 传感器的红外线光源 (Light emitter) 图 1. NDIR 方式 CO2 传感器的红外线光源 (Light emitter)

表 1. 根据红外线光源的不同进行比较

Light emitter LED Lamp MEMS heater
Type Optical type Thermal type Thermal type
Response time ✓​ × ×
Current consumption ✓​ × ×
Life time ✓​ × ×
Surface mounting ✓​ × ×

1-1 : LED ( 光型 )

如果向 LED ( 发光二极管 ) 施加正向电压,电子和电洞会移动并重新结合。重新结合之际,由于会发射出物质特有波长的光,所以,用于人们日常生活所使用的白色 LED 和蓝色 LED 等发出人眼可见光的 LED。但是,许多气体分子在红外线区域 ( 而不是在可见光区域 ) 具有吸收波长,所以,需要一种发出适合NDIR方式气体传感器的红外线的 LED。为此,旭化成微电子 (AKM) 开发出吸收气体的、在红外线区域具有发光波长的 LED。

作为 NDIR 方式气体传感器的红外线光源,LED 性能优异。与热型光源相比,其响应速度绝对快,而且将发光时间限制到极短,能够减小气体传感器的耗电量。事实上,市面上已经销售使用AKM的红外线 LED 和红外线传感器,可以用电池运作 4 年的气体传感器。( 请参考应用/采用案例 )。使用电池驱动方式的话,可以确保能在任何地方轻松、精确地测定 CO2 浓度。此外,由于 LED 将电流直接转换为光,LED 自身不会因为高温而成为火源,所以,作为具有可燃性的制冷气体等的气体传感器光源,是最佳的解决方案。

在 IEC 标准中,对这类可燃气体传感器的构成进行了严格规定。通过使用不发热的 LED,可显著提高安全性。另外,AKM 的 LED 是一种树脂封装体,可进行表面安装,其本身就具有较强的抗振能力。

图2. LED(NDIR方式的CO2传感器的红外线光源) 图 2. LED (NDIR 方式的 CO2 传感器的红外线光源 )

1-2 : 灯泡 ( 热型 )

灯泡的发光原理是,电流流过灯泡灯丝产生焦耳热,使灯丝发热,在高温状态下发光。钨是一种常见的灯丝,高温可达 2000-3000℃。由于灯丝的温度极高,为了防止灯丝本身的氧化和蒸发,在球管内密封稀有气体或卤素气体。

自古以来,灯泡一直是非常普遍的红外线光源,即使作为气体传感器的光源也是有用的。不同种类的气体具有不同的红外线吸收能力。从可见区域到红外线区域,灯泡可一下发出很宽频带的光,因此,一个灯泡就可以适应各种气体类型。灯泡可以用作通用光源。

另一方面,热型红外线光源由于需要一段时间才能升温并发光,相应地,施加电压的时间也会变长,导致功耗变大。另外,灯丝有振动较弱的缺点,作为气体传感器的红外线光源使用时,需要注意设置气体传感器的周围环境。

图 3. 灯泡 (NDIR 方式的 CO2 传感器的红外线光源 ) 图 3. 灯泡 (NDIR 方式的 CO2 传感器的红外线光源 )

1-3 : MEMS 加热器 ( 热型 )

发光原理和灯泡一样,都是利用发热。通过将电流流过由半导体制程加工而成的细微薄膜电阻发热体,进行发热并发光。对于 MEMS 加热器光源而言,重要的是将发热部分保持在高温状态,因此发热部分非常小;并且设计时考虑到周围材料的热传导,制作成不会使热量逸出的很窄的热传导路径 ( 折回、螺旋图案等 )。

即使在热型光源当中,为了易于发热,MEMS 加热器的的热容量一般被设计得较小,因此,响应速度比灯泡快,但比 LED 要慢。此外,温度没有灯泡高,虽然发光波长频带比灯泡窄,但要比 LED 要宽。如果与气体的吸收波长匹配,则可以用作响应速度明显高于灯泡的气体传感器光源。

由于结构上比较精细,MEMS 加热器与灯泡一样,有抗振动较弱的缺点。另外,高温部分是裸露的,不适合成为测量可燃气体的红外线光源。

图 4. MEMS加热器 (NDIR方式的 CO2 传感器的红外线光源 ) 图 4. MEMS加热器 (NDIR方式的 CO2 传感器的红外线光源 )

构成部件其二 : 红外线传感器 (Infrared sensor)

红外线传感器也可以大致分为光型和热型两大类。光型是利用半导体的光电动势,将光直接转换成电流的方式。热型是检测物体加热时由温差产生的电压和极化的方法。将各方式结合具体的产品特性进行说明。

下表比较了3种红外线传感器。( ✓ 为优点,× 为缺点。)

图 5. NDIR 方式的 CO2 传感器的红外线传感器 图 5. NDIR 方式的 CO2 传感器的红外线传感器

表 2. 红外线传感器比较

Infrared sensor Photodiode Thermopile Pyroelectric sensor
Type Optical type Thermal type Thermal type
Response time ✓​ × ×
Life time ✓​ × ×
Surface mounting ✓​ × ×

2-1 : 光电二极管 ( 光型 )

P 型半导体和N型半导体接合形成的耗尽层会吸收光 ( 红外线 ),并产生光电动势。利用这个原理制造出来便是光电二极管。一般认为,在中红外线区域具有灵敏度的光电二极管如果不冷却,则很难分离光电动势产生的电流和热产生的噪声电流。AKM 利用 InSb 材料的半导体薄膜技术,全球首创批量生产出不用冷却、可使用的中红外线区域的光电二极管。另外,被吸收的光的波长是光电二极管材料固有的,为了将光电二极管用作气体传感器的红外线传感器,让作为气体分子吸收波长带的红外线区域具有灵敏度这一点,是非常重要的。为此,AKM 将灵敏度优化为适合可燃性气体 / 制冷气体的 3.3um 频带、适合 CO2 的 4.3um 频带的光电二极管形成系列化,根据对象气体选定产品,可用于 NDIR 方式的气体传感器。

在将该光电二极管置入 NDIR 方式的气体传感器时,由于光电二极管属于光型检测器,与热型相比,响应速度较快 (typ. 2μs),因此,与红外线光源的 LED 组合使用时,可以最大限度地减少电力消耗 ( 传感器芯体 Sunrise)。实际上,市场上销售有使用 AKM 的 LED 和光电二极管,能够用电池运作 4 年的气体传感器 (SAF Tehnika aranet4)。

图 6. 光电二极管 ( 适合 NDIR 方式 CO2 传感器的红外线传感器 ) 图 6. 光电二极管 ( 适合 NDIR 方式 CO2 传感器的红外线传感器 )

2-2 : 热电堆 ( 热型 )

热电堆是一种红外线传感器,它利用了将物体温差转换为电压的塞贝克效应。一般将产生温差的物体称之为热电偶。热的一侧称之为热接点,而冷的一侧则称之为冷接点。为了在热电偶中容易产生温差,热接点侧被设计为具有通过红外线吸收膜易于聚热的结构,而冷接点侧则配置为易于散热。另外,也设计为热电偶串联,使电动势变大的结构。大多数的封装都被设计为 TO-5 等的罐式封装,通过真空降低热传导率,使热量不易散失,并用氮气进行密封,使其不受环境湿度的影响。

热电堆对红外线区域的较宽频带具有灵敏度,因此,通过使用适合热电堆和目标气体的滤光器,可以用作设置在 NDIR 中的红外线传感器。此外,可以更换滤光器,检测各种气体。另一方面,热电堆属于一种热型红外线传感器,因为它需要一段时间才能产生温差,因此响应速度不是很快 (> 200msec)。这样的话,红外线光源的驱动时间就会变长,这必然会造成更大的功耗。另外,罐式封装内部处于真空状态,或封入密封气体,因此,该类红外线传感器并不适合于汽车等可能会因振动而损坏封装的环境。

图 7. 热电堆 ( 适合 NDIR 方式 CO2 传感器的红外线传感器 ) 图 7. 热电堆 ( 适合 NDIR 方式 CO2 传感器的红外线传感器 )

2-3 : 热释电传感器 ( 热型 )

热释电传感器的铁电体会接收红外线并被加热,从而改变内部极化并产生电荷。这种现象被称为热释电效应。热释电传感器利用了该效应。铁电体包括 PZT ( 锆钛酸铅 ),钛酸铅和钛酸钡等。热释电传感器依赖于湿度,因此许多热释电传感器具有真空的罐式封装结构。

热释电传感器与热电堆一样,对红外线区域的较宽频带具有灵敏度,因此,通过安装适合气体的滤光器,可以用作 NDIR 的红外线传感器。热释电传感器也是一种热型红外线传感器,因为铁电体需要一段时间才能变热,所以响应速度并不快 (>200msec)。因此,与热电堆一样,红外线光源的驱动时间也会变长,这必然会带来更大的功耗。此外,罐式封装内部多半处于真空状态,因此,该类红外线传感器并不适合于汽车等可能会因振动而损坏封装的环境。

图 8. 热释电传感器 ( 适合 NDIR 方式 CO2 传感器的红外线传感器 ) 图 8. 热释电传感器 ( 适合 NDIR 方式 CO2 传感器的红外线传感器 )

关于 Senseair

于 2018 年成为旭化成微电子 (AKM) 集团一员的 Senseair,是引领世界的非色散红外 (NDIR) 式气体传感器的供应商,一直致力于开发生产运用最新技术的气体传感器。