基于差分吸收檢測(cè)技術(shù)的非分散紅外CO2呼吸氣體傳感器

袁 博，袁宇鵬，張祖?zhèn)?，?靖，黃詩(shī)田，2，柯 淋，張開(kāi)盛，羅文博

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,成都 611731；2.中電科技集團(tuán) 重慶聲光電有限公司，重慶 401332；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060；4.成都君凌科創(chuàng)科技有限公司，成都 610015)

0 引 言

人體呼吸的氧氣經(jīng)過(guò)血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)椒尾繀⑴c人體新陳代謝，產(chǎn)生的CO2通過(guò)呼吸運(yùn)動(dòng)排出到體外，作為人體代謝產(chǎn)物的呼吸CO2可以反映人體新陳代謝、循環(huán)、呼吸、氣道或通氣系統(tǒng)功能的變化[1-2]。因此，呼吸氣體中的CO2濃度已經(jīng)被認(rèn)為與體溫、呼吸、脈搏、血壓、動(dòng)脈血氧飽和度等同樣的基本生命體征[3-4]，在麻醉監(jiān)測(cè)、重癥監(jiān)護(hù)、急診醫(yī)學(xué)[5]等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。由于其無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高等方面的優(yōu)勢(shì)，例如，CO2傳感器與O2傳感器[6]結(jié)合可以對(duì)人體新陳代謝進(jìn)行定量分析，這就使得呼吸氣體檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)機(jī)能、代謝功能[7]、腫瘤細(xì)胞檢測(cè)[8]等領(lǐng)域都可以發(fā)揮重要作用。

傳統(tǒng)應(yīng)用CO2氣體監(jiān)測(cè)儀體積大、成本高、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足CO2氣體檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)機(jī)能和代謝功能檢測(cè)等方面的應(yīng)用需求。T.A. Vincent等[9]分析了不同光程長(zhǎng)度對(duì)CO2檢測(cè)精度的影響，選用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)光源和熱電堆傳感器，采用鎖相放大技術(shù)提高了便攜式CO2氣體傳感器的測(cè)量精度。WEIGEL等[10]通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的氣室結(jié)構(gòu)，提高了CO2氣體在旁流式結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散速度，提高了傳感器的響應(yīng)速度。但是現(xiàn)有的紅外傳感器都是基于主流式或旁流式呼吸末分壓檢測(cè)設(shè)備的原理，沒(méi)有考慮呼吸氣流本身所帶有的湍流對(duì)呼吸傳感器測(cè)量帶來(lái)的影響。

本論文利用MEMS光源和雙通道熱釋電傳感器分別作為紅外光源和探測(cè)器，利用電調(diào)制MEMS光源取代機(jī)械斬波器產(chǎn)生的干擾，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算參考通道和測(cè)量通道的電壓比值構(gòu)成基于差分吸收檢測(cè)的紅外氣體傳感器，采用壓電微泵為傳感器提供穩(wěn)定的氣體流速，結(jié)合氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了基于非分散紅外(non-dispersive infrared,NDIR)紅外氣體傳感器呼吸氣體的抗干擾能力和響應(yīng)速度，可望滿足運(yùn)動(dòng)機(jī)能和代謝功能檢測(cè)等新興應(yīng)用對(duì)CO2氣體監(jiān)測(cè)的需求。

1 紅外檢測(cè)基本原理

朗伯比爾定律是紅外光譜法中最基本的理論，它是由朗伯定律和比爾定律結(jié)合演變而來(lái)的，它們?cè)诓煌姆矫鎸?duì)吸收定律進(jìn)行了概括。朗伯在1760年描述了光的吸收程度與被測(cè)物質(zhì)厚度存在關(guān)系。1852年比爾又提出光的吸收程度與物質(zhì)濃度之間也有類似的關(guān)系。由上面2個(gè)定律合并而成的朗伯-比爾定律是吸光光度法的基礎(chǔ)理論和定量測(cè)量的依據(jù)。一束單色光在經(jīng)過(guò)某種吸收介質(zhì)時(shí)，會(huì)被介質(zhì)吸收一部分的光能，透射光強(qiáng)度會(huì)因此而下降。其公式表述為

I=I0e-KCL

(1)

(1)式中：I0為入射光強(qiáng)，紅外線經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體前的光強(qiáng)；I為出射光強(qiáng)，紅外線經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體后的光強(qiáng)；K為吸收系數(shù)，該系數(shù)取決于被測(cè)物體的吸收譜線；C為濃度，被測(cè)氣體的濃度值；L為光程長(zhǎng)，從紅外光源到探測(cè)器之間紅外光與被測(cè)氣體之間有交互作用的長(zhǎng)度。

在氣體檢測(cè)這一特殊的應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)紅外探測(cè)器端檢測(cè)到的信號(hào)非常微弱，并且在不同的環(huán)境下會(huì)有較大的信號(hào)波動(dòng)。采用雙通道構(gòu)成差分檢測(cè)技術(shù)可以起到很好的作用，有利于提高對(duì)氣體濃度的檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性，提高系統(tǒng)的可靠性。氣體響應(yīng)通道(Act)是指用來(lái)直接測(cè)量氣體，它反映的是氣體濃度響應(yīng)特征波長(zhǎng)的紅外光的變化關(guān)系；另一個(gè)通道，也就是參考通道(Ref)，它是用來(lái)測(cè)量沒(méi)有被待測(cè)氣體所吸收的光強(qiáng)的通道，與氣體濃度的變化無(wú)關(guān)，其信號(hào)只與背景光或外界環(huán)境干擾有關(guān)。

對(duì)于測(cè)量通道，Act：U1∝I0exp(-KCL)；對(duì)于參考通道，Ref：U2∝I0?？梢钥闯觯?路信號(hào)都正比于光強(qiáng)，對(duì)于一個(gè)密封的氣室內(nèi)，K，L都是確定的。不妨假設(shè)兩路通道擁有比例因子K1，K2，可以得到2個(gè)關(guān)系式。

氣體測(cè)量通道

U1=K1I0e-KCL

(2)

參考通道

U2=K2I0

(3)

在實(shí)際的測(cè)試中，光強(qiáng)這個(gè)物理量很難被直接地準(zhǔn)確測(cè)量，一般是通過(guò)探測(cè)器的電信號(hào)來(lái)代表光強(qiáng)信號(hào)，為了消除中間可能帶來(lái)的誤差，對(duì)上面2個(gè)關(guān)系式求比值得

(4)

再將濃度計(jì)算出為

(5)

對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)，-1/KL可以看做一個(gè)常數(shù)Q，而K1，K2只與當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，可以設(shè)lnK2-lnK1為一個(gè)隨環(huán)境變化的值m，它可以通過(guò)標(biāo)定來(lái)得到。lnU1-lnU2可以通過(guò)單片機(jī)直接計(jì)算而得到，設(shè)為X。從而(5)式可以簡(jiǎn)化為

C=QX+Qm

(6)

根據(jù)上述推算過(guò)程，使用雙通道雙波長(zhǎng)檢測(cè)方法可以消除來(lái)自外界的干擾，使得探測(cè)器所得到的電信號(hào)能更準(zhǔn)確地反應(yīng)光強(qiáng)信號(hào)。測(cè)量通道，參考通道和信號(hào)比值之間的關(guān)系如圖1。

圖1 測(cè)量通道，參考通道和信號(hào)比值之間的關(guān)系Fig.1 Relation between measuring channel, reference channel and signal ratio

2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為排除光源老化、探測(cè)器噪聲、氣壓、溫度等參數(shù)對(duì)氣體傳感器測(cè)量結(jié)果的影響，本文采用單光束雙波長(zhǎng)的差分吸收檢測(cè)方法進(jìn)行非分散紅外氣體傳感器的設(shè)計(jì)，以4.26 μm波長(zhǎng)為測(cè)量通道波長(zhǎng)，以4.00 μm波長(zhǎng)為參考通道波長(zhǎng)[11]，以滿足呼吸CO2氣體檢測(cè)對(duì)氣體傳感器的需求。該傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括紅外光源及其調(diào)制電路、氣室及采樣壓電微泵、熱釋電雙元紅外探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。

2.1 氣室與光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CO2氣體傳感器的氣室結(jié)構(gòu)如圖3，氣室結(jié)構(gòu)由十字交叉的2個(gè)空心圓柱體構(gòu)成，分別起到氣體進(jìn)出和紅外光線傳輸通道。為保證紅外光線傳輸效率，采用具有較高紅外反射率的Al作為氣室材料。氣室的左右兩側(cè)分別為紅外光源和雙通道紅外熱釋電傳感器為保證光傳輸效率，MEMS光源、氣室和雙通道外熱釋電傳感器的中心軸位于同一水平線上；為降低氣體流動(dòng)對(duì)紅外光源輸出的影響，在光源端裝有全透紅外的LiF玻璃，其透射為0.105～6 μm，反射損失峰值在4 μm處，反射損失為4.4%。

圖2 基于差分吸收檢測(cè)技術(shù)的非分散紅外CO2呼吸氣體傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure of non-dispersive infrared CO2breathing gas sensor based on differential absorptiondetection technology

圖3 紅外氣體傳感器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of infrared gas sensor

傳感器使用如表1的脈沖方波驅(qū)動(dòng)MEMS光源EMIRS200，使其產(chǎn)生波長(zhǎng)為2～16 μm的電調(diào)制紅外輻射，與通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械斬波器產(chǎn)生周期性紅外輻射相比，電調(diào)制光源具有結(jié)構(gòu)緊湊和輻射強(qiáng)度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[12]。進(jìn)一步，采用雙元熱釋電紅外探測(cè)器 (perkinelmer optoelectronics GmbH，PYS 3228)進(jìn)行紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。參考通道為CO2的最強(qiáng)吸收波長(zhǎng)，2個(gè)通道均沒(méi)有水汽吸收峰可以降低濕度干擾。

根據(jù)上述光程長(zhǎng)度和器件性能參數(shù)，采用朗伯比爾定律公式[13]計(jì)算不同光程長(zhǎng)度下CO2氣體傳感器的測(cè)量曲線, 朗伯比爾定律下不同光程長(zhǎng)與吸收率的關(guān)系如圖4。人體呼吸氣體中CO2的濃度在4%～6%，典型值為5%左右。從圖4中可以看出，光程長(zhǎng)為10 mm的器件在該范圍內(nèi)具有較高的線性度和測(cè)量精度。

表1 MEMS光源和紅外熱釋電器件性能參數(shù)

圖4 朗伯比爾定律下不同光程長(zhǎng)與吸收率的關(guān)系Fig.4 Relationship between different optical path lengthsand absorption rates under Lambert Beer’s law

氣室進(jìn)氣孔和出氣孔分別位于圖3的氣室上部和下部，氣室進(jìn)氣口連接有采用壓電陶瓷制備的壓電微泵。為了實(shí)現(xiàn)將呼吸氣體吸入氣室的目的，采用了無(wú)閥結(jié)構(gòu)制備壓電微泵。該壓電微泵的工作曲線如圖5，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下進(jìn)行工作，在2 V電壓下測(cè)得其諧振頻率為2 400 Hz，在該頻率下有最大振幅，可以提供最大的流速。之后選擇電壓為3 V的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，可以產(chǎn)生0.384 L/min氣體流速，足夠?qū)⒑粑鼩怏w吸入氣室。

將該壓電微泵與氣室結(jié)構(gòu)結(jié)合并采用有限元方法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6。結(jié)果表明，壓電微泵可以穩(wěn)定呼吸氣體的擴(kuò)散速度，保證氣室內(nèi)部氣體流場(chǎng)參數(shù)的穩(wěn)定，而穩(wěn)定的氣體流場(chǎng)參數(shù)可以降低氣體流速和壓力變化對(duì)氣體測(cè)試精度的影響[14]。

2.2 光源驅(qū)動(dòng)與信號(hào)電路設(shè)計(jì)

非分散紅外CO2呼吸氣體傳感器的電路需要實(shí)現(xiàn)MEMS光源的電調(diào)制、熱釋電紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信號(hào)處理、氣體濃度計(jì)算與傳輸?shù)裙δ堋EMS光源的電調(diào)制功能通過(guò)單片機(jī)I/O口輸出高低電平控制光源驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)。采用AD8629構(gòu)成2級(jí)放大電路，整流電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎M(jìn)行熱釋電信號(hào)的放大、濾波。之后輸入單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter，DAC)模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再取2路測(cè)量信號(hào)電壓峰峰值的比值輸出。采用RS232串口晶體管一晶體管邏輯(transistor-transistor logic，TTL)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在PC端顯示。

圖5 壓電微泵工作曲線Fig.5 Piezoelectric micropump working curve

3 結(jié)果與討論

3.1 CO2傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

從理論上來(lái)講，氣體的紅外吸收關(guān)系滿足朗伯比爾定律，從而可以根據(jù)朗伯比爾定律進(jìn)行氣體濃度計(jì)算。但是在實(shí)際測(cè)試中，由于光源、氣體、使用環(huán)境等因素的變化也會(huì)導(dǎo)致輸出電信號(hào)的變化，從而難以直接利用朗博-比爾定律進(jìn)行氣體濃度的計(jì)算。因此，對(duì)于實(shí)際的傳感器需要根據(jù)其測(cè)量的氣體濃度范圍進(jìn)行標(biāo)定，建立輸出電信號(hào)與氣體濃度的關(guān)系，得到修正的氣體濃度測(cè)量公式為[15]

(7)

圖6 壓電微泵與氣室結(jié)構(gòu)結(jié)合仿真Fig.6 Simulation of piezoelectric micropump and gas chamber

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)環(huán)境下進(jìn)行，將傳感器置入恒溫箱內(nèi)，在10℃下分別通入濃度為0.5%，1%，2%，3%，4%，4.5%，5%，5.5%，6%，7%，7.5%的CO2氣體，待輸出穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。一共進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

綜合每一組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用公式進(jìn)行擬合，得到3個(gè)擬合值Span=0.235 15,a=0.275 79,n=0.717 60，得到擬合曲線如圖7。以擬合出的標(biāo)定曲線為基準(zhǔn)，通過(guò)在相同的條件下反復(fù)測(cè)量，并將所得到的吸收率代入擬合公式中計(jì)算，可以得到測(cè)量出的濃度值。

將這些濃度值與所通入的標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度值進(jìn)行比較，兩者差值的絕對(duì)值為絕對(duì)誤差，絕對(duì)誤差與量程的比值為相對(duì)誤差。最終得到每個(gè)濃度下的測(cè)量值與實(shí)際之間的絕對(duì)誤差平均值為0.5%，相對(duì)誤差平均值為3%。

表2 標(biāo)定測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 濃度標(biāo)定曲線(每個(gè)標(biāo)定濃度點(diǎn)都給出基于4組測(cè)試數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)差誤差棒)Fig.7 Concentration calibration curve (each calibration concentration point is given based on the standard deviation error bar between the four sets of test data)

3.2 氣體傳感器在不同溫度下的測(cè)試

不同溫度條件會(huì)對(duì)傳感器的輸出會(huì)造成影響，所以需要通過(guò)標(biāo)定得到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。試驗(yàn)方法傳感器的濃度標(biāo)定過(guò)程相同，只是需要將傳感器置入高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中。通過(guò)選擇-20 ℃,0 ℃,10 ℃,30 ℃和50 ℃這5個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，濕度保持在25%。在每個(gè)溫度條件下通入濃度分別為0.5%，1%，2%，3%，4%，4.5%，5%，5.5%，6%，7%，7.5%的CO2氣體，等待系統(tǒng)輸出穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8。

圖8 不同溫度下傳感器的標(biāo)定曲線Fig.8 Calibration curve of sensor at different temperatures

通過(guò)對(duì)不同溫度下進(jìn)行濃度擬合，可以得到多條擬合曲線，并得到這些擬合曲線的參數(shù)值，再將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入微控制單元(microcontroller unit,MCU) 中，之后在實(shí)際測(cè)試中通過(guò)查表法即可補(bǔ)償出準(zhǔn)確的濃度值。

3.3 氣體傳感器的抗?jié)穸葴y(cè)試

呼吸氣體傳感器必須具備良好的抗?jié)穸雀蓴_能力以防止呼吸氣體中含有的水蒸氣對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此，本文測(cè)試不同濕度下氣體傳感器的電壓輸出變化。實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)環(huán)境下進(jìn)行，將傳感器置入高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中，將箱體內(nèi)的溫度設(shè)定為30 ℃，濕度分別設(shè)置為25%，50%，75%，99% RH。以氮?dú)鉃楸尘皻怏w，在每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)上向傳感器氣室內(nèi)依次通入濃度分別為0.5%，1%，2%，3%，4%，4.5%，5%，5.5%，6%，7%，7.5%的二氧化碳?xì)怏w，等待系統(tǒng)輸出穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖9。

圖9 濕度測(cè)試曲線圖Fig.9 Humidity test curve

由圖9觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同濕度下的傳感器輸出值相差不大。經(jīng)過(guò)計(jì)算不同濕度下的每個(gè)濃度點(diǎn)所得到的吸收率之間的偏差，不同濕度下所測(cè)得的輸出之間相對(duì)偏差為3%，符合測(cè)試精度要求，可以認(rèn)為濕度的變化不會(huì)對(duì)傳感器的輸出產(chǎn)生顯著影響。其原因是通過(guò)傳感器中紅外光源端設(shè)置的全透濾光片，屏蔽了氣流和濕度對(duì)紅外光源的影響。同時(shí)，基于對(duì)CO2和水蒸氣的紅外吸收譜線分析選擇傳感器濾光片(測(cè)量通道4.26 μm，參考通道4.00 μm)，而二氧化碳的吸收峰值在4.26 μm，水蒸氣在3.00 μm[16]，由此通過(guò)這種單光束雙波長(zhǎng)的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低了濕度對(duì)傳感器輸出的影響，從而有效屏蔽呼吸氣體中水蒸氣對(duì)CO2濃度測(cè)試的干擾。

3.4 器件動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

與環(huán)境中CO2氣體監(jiān)測(cè)不同，呼吸氣體中的CO2濃度隨人體呼氣-吸氣的過(guò)程快速變化[16]，這就要求氣體傳感器具有較短的響應(yīng)時(shí)間，本文使用2個(gè)電磁閥門和1個(gè)流量控制器實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬呼吸氣體狀態(tài)的。實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，室溫環(huán)境下進(jìn)行。將設(shè)備的出氣口連接在氣室進(jìn)氣口處，用99.99%濃度的氮?dú)夂?.5%濃度的二氧化碳作為2種切換氣體，分別連接在2個(gè)電磁閥門上。通過(guò)1個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制2個(gè)電磁閥門的開(kāi)合，間歇性地通入氮?dú)夂投趸?。使用流量控制器把氣體流速控制在0.3 L/min，確保流速與壓電微泵的流速一致。在100 s的時(shí)間內(nèi)以0.2 Hz的頻率切換開(kāi)關(guān)并記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖10。

圖10 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.10 Response time test result

從圖10觀察可以發(fā)現(xiàn)，以0.2 Hz的頻率切換開(kāi)關(guān)，在100 s內(nèi)進(jìn)行了10次CO2的通入?？梢园l(fā)現(xiàn)，這10次的測(cè)量值的準(zhǔn)確性較好，都能保持在0.85附近，這表明了氣體傳感器在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定性。另一方面，從濃度零點(diǎn)到待測(cè)濃度值的時(shí)間在1.5 s左右，這表明通過(guò)壓電微泵和氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得傳感器內(nèi)部具有穩(wěn)定的氣體流速和流場(chǎng)，且傳感器的響應(yīng)時(shí)間可以滿足呼吸氣體傳感器的應(yīng)用需求。

3.5 人體呼吸氣體測(cè)試

最后對(duì)該傳感器在實(shí)際檢測(cè)人體呼吸二氧化碳的效果進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，室溫下進(jìn)行。被試者佩戴呼吸面罩后在壓電微泵上方大約20 mm處進(jìn)行正常呼吸，通過(guò)壓電微泵將人體呼吸氣體吸入氣室，在100 s內(nèi)一共進(jìn)行了9次完整的呼吸循環(huán)如圖11。從圖11中可以清楚地分辨出每一次呼吸循環(huán)，所檢測(cè)到的濃度在5% 附近，符合人體呼出的二氧化碳濃度范圍。該測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[7]采用復(fù)雜鎖相放大電路所做的工作類似，但是在本文中所使用的紅外探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器，與熱電堆探測(cè)器相比在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)有更好的響應(yīng)。

圖11 人體呼吸二氧化碳測(cè)試曲線Fig.11 Human respiratory carbon dioxide test curve

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于NDIR原理的呼吸二氧化碳傳感器。采用單光束雙波長(zhǎng)的差分吸收檢測(cè)技術(shù)，提高了傳感器系統(tǒng)的抗干擾能力和檢測(cè)精度。利用MEMS光源和雙通道熱釋電傳感器分別作為紅外光源和探測(cè)器，利用電調(diào)制MEMS光源取代機(jī)械斬波器產(chǎn)生的干擾，采用壓電微泵提供穩(wěn)定的氣體流速和壓強(qiáng)，輔以氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了基于NDIR紅外氣體傳感器檢測(cè)呼吸氣體的抗干擾能力和響應(yīng)速度。測(cè)試結(jié)果表明，在室溫下，檢測(cè)量程在0%～8%，傳感器的絕對(duì)誤差小于0.5%，相對(duì)誤差為3%。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為1.5 s左右，滿足了針對(duì)人體呼吸的CO2傳感器的要求。