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，能實時監(jiān)測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，工作無需風扇，免維護。

近年來，隨著一些地域中出現(xiàn)霧霾天氣導致空氣嚴重質量下降，使得人們對空氣中存在的危害健康的可吸入顆粒物異常關注。

我們到底能夠對呼吸的空氣有多少了解呢？為了回答這個問題，德國Bosch Sensortec公司和德國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。

空氣中存在的小顆粒物，會長時間懸浮在空氣中，而不是像較大的顆粒那樣沉入地面。空氣動力學直徑小于等于10µm的顆粒，被稱為粗顆粒物（PM10）；而空氣動力學直徑為2.5µm或更小的顆粒物，被指定為細顆粒物（PM2.5），這些細微顆粒對健康的危害更大。顆粒物一旦被人體吸入，通常會滯留在肺部，直接導致肺部損傷或進入血液。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是，室內的顆粒物水平通常會更高，因為油炸食物、燃燒蠟燭或燒木頭的爐子，都是顆粒物的重要來源。

Bosch Sensortec公司光學總監(jiān)Peter Ostertag表示，“如果我們無論身處何處，都能有一個便攜式設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測量顆粒物

要實現(xiàn)便攜式激光傳感系統(tǒng)，必須滿足如下幾點要求：它要非常小巧，對眼睛沒有危險，并且能耗非常低（以最小的激光功率工作）。

最終，Bosch Sensortec公司與的開發(fā)人員回憶起了與Ralph Gudde（當時在飛利浦光子學部門工作，現(xiàn)在是TRUMPF Photonic Components）合作的一個項目。

TRUMPF Photonic Components公司的Ralph Gudde是VCSEL領域的專家。VCSEL是一種微型激光二極管，可以產生高質量的激光束。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。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、并將其轉換為一個測量值（見圖2）。集成了光電二極管的VCSEL被業(yè)界簡稱為“ViP”，它不受太陽光的影響，因此非常適合戶外應用。

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。（圖片來源：TRUMPF）

Bosch Sensortec公司與Gudde的初始合作項目，就展示了VCSEL的技術潛力。他們制造了一個用于測量空氣中顆粒物的演示器，并在實驗室設備上對其進行了測試——用它來檢測熏香產生的煙霧，它成功發(fā)揮了作用。

非接觸式測量

他們設計的顆粒物傳感器采用了自混合干涉測量法（SMI），其中VCSEL使用紅外激光掃描周圍區(qū)域。如果光束碰到懸浮在空氣中的顆粒物，VCSEL的光學諧振器會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量產生的干涉。根據(jù)頻率差異，系統(tǒng)能夠實時計算顆粒物的大小和濃度（見圖3）。這種光學過程能夠可靠地檢測直徑為2.5µm甚至更小的顆粒。

圖3：在自混合干涉測量法（SMI）中，VCSEL用紅外激光掃描周圍環(huán)境。如果光束碰到懸浮在空氣中的顆粒物，光學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，光電二極管測量產生的干涉，使系統(tǒng)能夠計算空氣中顆粒物的大小和濃度。（圖片來源：TRUMPF）

Ostertag說：“這種測量是在不與周圍空氣直接接觸的情況下進行的，這意味著激光器可以安裝在透明罩內，這樣依然可以檢測外部空氣中的顆粒物。”

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

“這一點是非常重要的。”Ostertag說，“風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，這很容易導致器件臟污，需求定時清潔和維護。但是這款光學傳感器，則不需要清潔或維修。無風扇的設計讓它更靜音，你可以讓一堆傳感器在你周圍工作，但仍然可以平靜地閱讀一本書。”

體積縮小了450倍

無風扇實現(xiàn)了更加緊湊的設計。Gudde說：“我們的想法是通過組合多個激光器使傳感器變得更小。因為更小的設計意味著我們可以考慮將它用在可穿戴設備中。它將為移動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或智能手表中。”

該團隊探索了使用多個激光器和復雜算法，來解釋環(huán)境空氣中顆粒物反射的想法，并通過這種方式確定顆粒的數(shù)量和大小。

他們建造了一個初步的演示器，并用其實現(xiàn)了精確測量，而且還大大縮小了傳感器的尺寸；之前實現(xiàn)同樣的測量，需要使用比現(xiàn)在的光學傳感器大450倍的器件。Ostertag說：“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，能在標準溫度范圍內可靠工作，并能實時提供準確的測量結果。目前商業(yè)化產品的開發(fā)正在進行中，新的PM2.5傳感器計劃將于2024年春季發(fā)布。

迷你智能家居小助手

由于PM傳感器結構緊湊且易于集成，因此適用于顆粒物對健康造成危害的許多應用。“你可以在智能手表或智能手機的顯示屏后面安裝該傳感器，它可以通過玻璃屏幕測量空氣質量。”Gudde說，“如果它檢測到顆粒物水平升高，它還會發(fā)出警告，提醒你離開該地點或采取其他預防措施。”

除了移動應用外，該傳感器也可以安裝在固定場所，比如用于檢測室內顆粒物水平。“如果我在爐子上炸東西，顆粒物含量會迅速飆升至健康極限的一百倍。在抽油煙機上安裝PM傳感器后，可以自動控制抽油煙機，將顆粒物濃度降低到可接受的水平。考慮到抽油煙機下空氣中的高脂肪和高水分含量，帶風扇的傳感器并不適用，而這種光學傳感器則非常勝任。”

對于最初的應用，Ostertag看到了智能家居解決方案的巨大潛力，比如檢測到室內顆粒物達到可接受的臨界濃度時，可以自動打開窗戶，或者是自動啟動通風系統(tǒng)。這個傳感器非常小，可以很方便地集成到室內的很多地方。

這項技術繼續(xù)激發(fā)了該合作團隊的想象力。他們表示，“我們看到了ViP/SMI的巨大潛力。我們已經在考慮ViP的其他可以幫助我們簡化生活、讓生活更健康更美好的應用。”

文/Peter Ostertag，Ralph Gudde