一種基于集成了光電二極管的VCSEL微型便攜式顆粒物傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的顆粒物尺寸和濃度。

圖1：使用微型VCSEL激光器的小型顆粒物傳感器，工作無(wú)需風(fēng)扇，免維護(hù)。

近年來(lái)，隨著一些地域中出現(xiàn)霧霾天氣導(dǎo)致空氣嚴(yán)重質(zhì)量下降，使得人們對(duì)空氣中存在的危害健康的可吸入顆粒物異常關(guān)注。

我們到底能夠?qū)�呼吸的空氣有多少了解呢？為了回答這個(gè)問(wèn)題，德國(guó)Bosch Sensortec公司和德國(guó)TRUMPF公司正在探索一種全新的解決方案。他們正在研制目前世界上最小的顆粒物傳感器，它足夠小，以至于可以安裝在智能手表中（見(jiàn)圖1）。而這款迷你型傳感器背后的秘密，正是垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術(shù)。

空氣中存在的小顆粒物，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，而不是像較大的顆粒那樣沉入地面�？諝鈩�(dòng)力學(xué)直徑小于等于10µm的顆粒，被稱(chēng)為粗顆粒物（PM10）；而空氣動(dòng)力學(xué)直徑為2.5µm或更小的顆粒物，被指定為細(xì)顆粒物（PM2.5），這些細(xì)微顆粒對(duì)健康的危害更大。顆粒物一旦被人體吸入，通常會(huì)滯留在肺部，直接導(dǎo)致肺部損傷或進(jìn)入血液。顆粒物越小，發(fā)生這種情況的可能性就越大。

研究表明，道路交通和廢氣排放是大氣中顆粒物形成的主要原因。另外容易被人們忽視的一點(diǎn)是，室內(nèi)的顆粒物水平通常會(huì)更高，因?yàn)橛驼ㄊ澄铩⑷紵�蠟燭或燒木頭的爐子，都是顆粒物的重要來(lái)源。

Bosch Sensortec公司光學(xué)總監(jiān)Peter Ostertag表示，“如果我們無(wú)論身處何處，都能有一個(gè)便攜式設(shè)備可以告訴我們所處環(huán)境的PM水平，那將是一件很酷的事情！”

使用VCSEL測(cè)量顆粒物

要實(shí)現(xiàn)便攜式激光傳感系統(tǒng)，必須滿(mǎn)足如下幾點(diǎn)要求：它要非常小巧，對(duì)眼睛沒(méi)有危險(xiǎn)，并且能耗非常低（以最小的激光功率工作）。

最終，Bosch Sensortec公司與的開(kāi)發(fā)人員回憶起了與Ralph Gudde（當(dāng)時(shí)在飛利浦光子學(xué)部門(mén)工作，現(xiàn)在是TRUMPF Photonic Components）合作的一個(gè)項(xiàng)目。

TRUMPF Photonic Components公司的Ralph Gudde是VCSEL領(lǐng)域的專(zhuān)家。VCSEL是一種微型激光二極管，可以產(chǎn)生高質(zhì)量的激光束。它們只需要幾毫瓦的功率輸入，效率極高，尺寸可以縮小到微米級(jí)。除了發(fā)射激光束外，具有集成光電二極管的VCSEL，還能捕獲反射光信號(hào)、并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)測(cè)量值（見(jiàn)圖2）。集成了光電二極管的VCSEL被業(yè)界簡(jiǎn)稱(chēng)為“ViP”，它不受太陽(yáng)光的影響，因此非常適合戶(hù)外應(yīng)用。

圖2：ViP發(fā)射激光束，并處理由集成的光電二極管捕獲的反射光信號(hào)。（圖片來(lái)源：TRUMPF）

Bosch Sensortec公司與Gudde的初始合作項(xiàng)目，就展示了VCSEL的技術(shù)潛力。他們制造了一個(gè)用于測(cè)量空氣中顆粒物的演示器，并在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試——用它來(lái)檢測(cè)熏香產(chǎn)生的煙霧，它成功發(fā)揮了作用。

非接觸式測(cè)量

他們?cè)O(shè)計(jì)的顆粒物傳感器采用了自混合干涉測(cè)量法（SMI），其中VCSEL使用紅外激光掃描周?chē)鷧^(qū)域。如果光束碰到懸浮在空氣中的顆粒物，VCSEL的光學(xué)諧振器會(huì)捕獲從顆粒物反射回的光，并將其與諧振器中的其他光混合。集成的光電二極管測(cè)量產(chǎn)生的干涉。根據(jù)頻率差異，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算顆粒物的大小和濃度（見(jiàn)圖3）。這種光學(xué)過(guò)程能夠可靠地檢測(cè)直徑為2.5µm甚至更小的顆粒。

圖3：在自混合干涉測(cè)量法（SMI）中，VCSEL用紅外激光掃描周?chē)�環(huán)境。如果光束碰到懸浮在空氣中的顆粒物，光學(xué)諧振器將捕獲反射光，并將其與諧振器中的其他光混合。然后，光電二極管測(cè)量產(chǎn)生的干涉，使系統(tǒng)能夠計(jì)算空氣中顆粒物的大小和濃度。（圖片來(lái)源：TRUMPF）

Ostertag說(shuō)：“這種測(cè)量是在不與周?chē)�空氣直接接觸的情況下進(jìn)行的，這意味著激光器可以安裝在透明罩內(nèi)，這樣依然可以檢測(cè)外部空氣中的顆粒物。”

與其他用于監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的傳感器不同，該傳感系統(tǒng)不需要提取空氣樣本，而是能夠直接測(cè)量環(huán)境空氣中漂浮的任何顆粒物。換句話說(shuō)：它不需要風(fēng)扇，可以安裝在密封的外殼內(nèi)。

“這一點(diǎn)是非常重要的。”Ostertag說(shuō)，“風(fēng)扇不僅能從空氣中吸取顆粒物，還能吸取更大的灰塵和水分顆粒，這很容易導(dǎo)致器件臟污，需求定時(shí)清潔和維護(hù)。但是這款光學(xué)傳感器，則不需要清潔或維修。無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)讓它更靜音，你可以讓一堆傳感器在你周?chē)�工作，但仍然可以平靜地閱讀一本書(shū)。”

體積縮小了450倍

無(wú)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)了更加緊湊的設(shè)計(jì)。Gudde說(shuō)：“我們的想法是通過(guò)組合多個(gè)激光器使傳感器變得更小。因?yàn)楦�小的設(shè)計(jì)意味著我們可以考慮將它用在可穿戴設(shè)備中。它將為移動(dòng)中的人們提供完美的顆粒物傳感功能，比如將其集成到手機(jī)或智能手表中。”

該團(tuán)隊(duì)探索了使用多個(gè)激光器和復(fù)雜算法，來(lái)解釋環(huán)境空氣中顆粒物反射的想法，并通過(guò)這種方式確定顆粒的數(shù)量和大小。

他們建造了一個(gè)初步的演示器，并用其實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量，而且還大大縮小了傳感器的尺寸；之前實(shí)現(xiàn)同樣的測(cè)量，需要使用比現(xiàn)在的光學(xué)傳感器大450倍的器件。Ostertag說(shuō)：“它不是火柴盒大小，而是比火柴頭還小。”

該顆粒物傳感器的體積僅為4.2mm×3mm×3.5mm，能在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)可靠工作，并能實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。目前商業(yè)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中，新的PM2.5傳感器計(jì)劃將于2024年春季發(fā)布。

迷你智能家居小助手

由于PM傳感器結(jié)構(gòu)緊湊且易于集成，因此適用于顆粒物對(duì)健康造成危害的許多應(yīng)用。“你可以在智能手表或智能手機(jī)的顯示屏后面安裝該傳感器，它可以通過(guò)玻璃屏幕測(cè)量空氣質(zhì)量。”Gudde說(shuō)，“如果它檢測(cè)到顆粒物水平升高，它還會(huì)發(fā)出警告，提醒你離開(kāi)該地點(diǎn)或采取其他預(yù)防措施。”

除了移動(dòng)應(yīng)用外，該傳感器也可以安裝在固定場(chǎng)所，比如用于檢測(cè)室內(nèi)顆粒物水平。“如果我在爐子上炸東西，顆粒物含量會(huì)迅速飆升至健康極限的一百倍。在抽油煙機(jī)上安裝PM傳感器后，可以自動(dòng)控制抽油煙機(jī)，將顆粒物濃度降低到可接受的水平�？紤]到抽油煙機(jī)下空氣中的高脂肪和高水分含量，帶風(fēng)扇的傳感器并不適用，而這種光學(xué)傳感器則非常勝任。”

對(duì)于最初的應(yīng)用，Ostertag看到了智能家居解決方案的巨大潛力，比如檢測(cè)到室內(nèi)顆粒物達(dá)到可接受的臨界濃度時(shí)，可以自動(dòng)打開(kāi)窗戶(hù)，或者是自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)。這個(gè)傳感器非常小，可以很方便地集成到室內(nèi)的很多地方。

這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)激發(fā)了該合作團(tuán)隊(duì)的想象力。他們表示，“我們看到了ViP/SMI的巨大潛力。我們已經(jīng)在考慮ViP的其他可以幫助我們簡(jiǎn)化生活、讓生活更健康更美好的應(yīng)用。”

文/Peter Ostertag，Ralph Gudde