一种基于集成了光电二极管的VCSEL微型便携式颗粒物传感器，能实时监测空气中的颗粒物尺寸和浓度。

图1：使用微型VCSEL激光器的小型颗粒物传感器，工作无需风扇，免维护。

近年来，随着一些地域中出现雾霾天气导致空气严重质量下降，使得人们对空气中存在的危害健康的可吸入颗粒物异常关注。

我们到底能够对呼吸的空气有多少了解呢？为了回答这个问题，德国Bosch Sensortec公司和德国TRUMPF公司正在探索一种全新的解决方案。他们正在研制目前世界上最小的颗粒物传感器，它足够小，以至于可以安装在智能手表中（见图1）。而这款迷你型传感器背后的秘密，正是垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术。

空气中存在的小颗粒物，会长时间悬浮在空气中，而不是像较大的颗粒那样沉入地面。空气动力学直径小于等于10µm的颗粒，被称为粗颗粒物（PM10）；而空气动力学直径为2.5µm或更小的颗粒物，被指定为细颗粒物（PM2.5），这些细微颗粒对健康的危害更大。颗粒物一旦被人体吸入，通常会滞留在肺部，直接导致肺部损伤或进入血液。颗粒物越小，发生这种情况的可能性就越大。

研究表明，道路交通和废气排放是大气中颗粒物形成的主要原因。另外容易被人们忽视的一点是，室内的颗粒物水平通常会更高，因为油炸食物、燃烧蜡烛或烧木头的炉子，都是颗粒物的重要来源。

Bosch Sensortec公司光学总监Peter Ostertag表示，“如果我们无论身处何处，都能有一个便携式设备可以告诉我们所处环境的PM水平，那将是一件很酷的事情！”

使用VCSEL测量颗粒物

要实现便携式激光传感系统，必须满足如下几点要求：它要非常小巧，对眼睛没有危险，并且能耗非常低（以最小的激光功率工作）。

最终，Bosch Sensortec公司与的开发人员回忆起了与Ralph Gudde（当时在飞利浦光子学部门工作，现在是TRUMPF Photonic Components）合作的一个项目。

TRUMPF Photonic Components公司的Ralph Gudde是VCSEL领域的专家。VCSEL是一种微型激光二极管，可以产生高质量的激光束。它们只需要几毫瓦的功率输入，效率极高，尺寸可以缩小到微米级。除了发射激光束外，具有集成光电二极管的VCSEL，还能捕获反射光信号、并将其转换为一个测量值（见图2）。集成了光电二极管的VCSEL被业界简称为“ViP”，它不受太阳光的影响，因此非常适合户外应用。

图2：ViP发射激光束，并处理由集成的光电二极管捕获的反射光信号。（图片来源：TRUMPF）

Bosch Sensortec公司与Gudde的初始合作项目，就展示了VCSEL的技术潜力。他们制造了一个用于测量空气中颗粒物的演示器，并在实验室设备上对其进行了测试——用它来检测熏香产生的烟雾，它成功发挥了作用。

非接触式测量

他们设计的颗粒物传感器采用了自混合干涉测量法（SMI），其中VCSEL使用红外激光扫描周围区域。如果光束碰到悬浮在空气中的颗粒物，VCSEL的光学谐振器会捕获从颗粒物反射回的光，并将其与谐振器中的其他光混合。集成的光电二极管测量产生的干涉。根据频率差异，系统能够实时计算颗粒物的大小和浓度（见图3）。这种光学过程能够可靠地检测直径为2.5µm甚至更小的颗粒。

图3：在自混合干涉测量法（SMI）中，VCSEL用红外激光扫描周围环境。如果光束碰到悬浮在空气中的颗粒物，光学谐振器将捕获反射光，并将其与谐振器中的其他光混合。然后，光电二极管测量产生的干涉，使系统能够计算空气中颗粒物的大小和浓度。（图片来源：TRUMPF）

Ostertag说：“这种测量是在不与周围空气直接接触的情况下进行的，这意味着激光器可以安装在透明罩内，这样依然可以检测外部空气中的颗粒物。”

与其他用于监测空气质量的传感器不同，该传感系统不需要提取空气样本，而是能够直接测量环境空气中漂浮的任何颗粒物。换句话说：它不需要风扇，可以安装在密封的外壳内。

“这一点是非常重要的。”Ostertag说，“风扇不仅能从空气中吸取颗粒物，还能吸取更大的灰尘和水分颗粒，这很容易导致器件脏污，需求定时清洁和维护。但是这款光学传感器，则不需要清洁或维修。无风扇的设计让它更静音，你可以让一堆传感器在你周围工作，但仍然可以平静地阅读一本书。”

体积缩小了450倍

无风扇实现了更加紧凑的设计。Gudde说：“我们的想法是通过组合多个激光器使传感器变得更小。因为更小的设计意味着我们可以考虑将它用在可穿戴设备中。它将为移动中的人们提供完美的颗粒物传感功能，比如将其集成到手机或智能手表中。”

该团队探索了使用多个激光器和复杂算法，来解释环境空气中颗粒物反射的想法，并通过这种方式确定颗粒的数量和大小。

他们建造了一个初步的演示器，并用其实现了精确测量，而且还大大缩小了传感器的尺寸；之前实现同样的测量，需要使用比现在的光学传感器大450倍的器件。Ostertag说：“它不是火柴盒大小，而是比火柴头还小。”

该颗粒物传感器的体积仅为4.2mm×3mm×3.5mm，能在标准温度范围内可靠工作，并能实时提供准确的测量结果。目前商业化产品的开发正在进行中，新的PM2.5传感器计划将于2024年春季发布。

迷你智能家居小助手

由于PM传感器结构紧凑且易于集成，因此适用于颗粒物对健康造成危害的许多应用。“你可以在智能手表或智能手机的显示屏后面安装该传感器，它可以通过玻璃屏幕测量空气质量。”Gudde说，“如果它检测到颗粒物水平升高，它还会发出警告，提醒你离开该地点或采取其他预防措施。”

除了移动应用外，该传感器也可以安装在固定场所，比如用于检测室内颗粒物水平。“如果我在炉子上炸东西，颗粒物含量会迅速飙升至健康极限的一百倍。在抽油烟机上安装PM传感器后，可以自动控制抽油烟机，将颗粒物浓度降低到可接受的水平。考虑到抽油烟机下空气中的高脂肪和高水分含量，带风扇的传感器并不适用，而这种光学传感器则非常胜任。”

对于最初的应用，Ostertag看到了智能家居解决方案的巨大潜力，比如检测到室内颗粒物达到可接受的临界浓度时，可以自动打开窗户，或者是自动启动通风系统。这个传感器非常小，可以很方便地集成到室内的很多地方。

这项技术继续激发了该合作团队的想象力。他们表示，“我们看到了ViP/SMI的巨大潜力。我们已经在考虑ViP的其他可以帮助我们简化生活、让生活更健康更美好的应用。”

文/Peter Ostertag，Ralph Gudde