半导体激光器在PM2.5粉尘传感技术中的应用

2022-04-25 10:15

粉尘检测技术最早诞生于上世纪50年代，以英、美、日、德为代表的发达国家率先开展相关研究，并将其应用于工矿扬尘监测等场景，用于控制、预防由可吸入粉尘引发的各类职业病。经过几十年的发展，以光散射原理为核心的粉尘检测技术，也逐步进入空气净化器等民用领域。21世纪以来，随着中国工业化进程的加快，作为副产品的环境污染问题也日益突出，城市居民的呼吸健康受到了雾霾问题的影响，于是以“PM2.5”为代表的颗粒物污染检测技术也首次进入大众视野，成为广受社会关注的重点话题，PM2.5传感器也逐步成为室内、车内、公共场所空气质量检测的重要工具。

早期的粉尘传感器，主要使用红外LED作为光源，通过电阻发热以获得热气流流动。当有空气中有颗粒物通过时，接触到LED光源之后发生散射，被光敏探测器接收到后产生不同大小电信号，经放大、运算后得到检测结果。此项技术中，由于LED散射光强度较低，加热电阻产生的气流较弱，通常只对直径大于1μm的较大颗粒有效，且只能通过电信号占空比表征空气中的颗粒物变化情况，测量数值误差较大化，且无法适应尘源变化环境，难以实现对PM2．5等颗粒物的实时监测。

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图1、红外LED粉尘传感器示意图及内部结构

为追求更高的性能，PM2.5传感器开始引入激光技术，使用小功率半导体激光器作为光源，替代原有红外LED。通过风扇或鼓风机，将采样空气推入激光光束所在区域，空气中的颗粒物将激光散射，且不同粒径的颗粒物散射角度、光强分布均有差异；通过在不同位置安装光敏探测器，分别收集散射光并转换为电信号，分析后可快速获得不同尺寸颗粒物的浓度，从而实现高精度测量。与红外LED传感器相比，激光传感器具有如下优势：

图2、红外LED及激光传感器对比

除了室内家电，车内及室外环境下对PM2.5检测的需求也日益强烈。面对更复杂的使用环境，不但要求传感器所用的小功率半导体激光器具有稳定的出光功率，还可在极大的环境温度变化范围内长期工作，故对激光器整体可靠性提出了更高的要求。早期PM2.5传感器多使用进口品牌，但近几年山东华光光电子股份有限公司在半导体激光器研发中取得关键技术突破，将高可靠性外延结构设计及生长、高质量腔面镀膜工艺、全自动金锡共晶工艺、全自动老化及测试分档等先进技术引入小功率半导体激光器制造领域，以650nm、790nm为代表的小功率半导体激光器产品，可在下至－40℃、上至85℃的苛刻环境下稳定工作，已在PM2.5检测领域获得业内龙头企业及众多客户认可，多年以来已大规模应用于室内外、车载PM2.5传感器中。

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