蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)研究人員開發(fā)了第一個(gè)完全集成的非分散紅外（NDIR）氣體傳感器，該傳感器由特殊工程合成材料（稱為超材料）實(shí)現(xiàn)。該傳感器沒有運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行所需能量很小，是有史以來最小的NDIR傳感器之一。

傳感器非常適合新的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居設(shè)備，用于檢測(cè)和響應(yīng)環(huán)境變化。它還可以用于未來的醫(yī)療診斷和監(jiān)測(cè)設(shè)備。

這項(xiàng)研究將于近日在美國華盛頓舉行的光學(xué)與激光科學(xué)前沿會(huì)議（FIO+LS）上進(jìn)行發(fā)表。

“我們的傳感器設(shè)計(jì)單元簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、高效。使用超材料，我們可以省去NDIR氣體傳感器、介電濾波器的主要成本驅(qū)動(dòng)因素之一，同時(shí)減少設(shè)備的尺寸和能耗，”瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)電磁場(chǎng)研究所的Alexander Lochbaum說，他也是作者之一?！斑@使得傳感器適用于高容量、低成本市場(chǎng)，如汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品?！?/p>

上圖是這種新型微型超材料光學(xué)氣體傳感器（金色）與一分錢硬幣的尺寸對(duì)比。來源：蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)。

NDIR傳感器是商業(yè)上最相關(guān)的光學(xué)氣體傳感器類型之一，用于評(píng)估車輛排氣、測(cè)量空氣質(zhì)量、檢測(cè)氣體泄漏并支持各種醫(yī)療、工業(yè)和研究應(yīng)用。這種新型傳感器體積小，成本低，能耗低，為這些應(yīng)用和其他類型的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。

縮小光路

傳統(tǒng)的NDIR傳感器工作原理是通過室內(nèi)的空氣發(fā)出紅外線，直到到達(dá)探測(cè)器。位于探測(cè)器前面的光學(xué)濾光片消除了除特定氣體分子吸收的波長(zhǎng)以外的所有光，因此進(jìn)入探測(cè)器的光的數(shù)量表明空氣中該氣體的濃度。雖然大多數(shù)NDIR傳感器測(cè)量二氧化碳，但不同的光學(xué)過濾器可用于測(cè)量各種其他氣體。

近年來，工程師們用微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)取代了傳統(tǒng)的紅外光源和探測(cè)器，這是一種連接機(jī)械和電信號(hào)的微型元件。在這項(xiàng)新的工作中，研究人員將超材料集成到MEMS平臺(tái)上，進(jìn)一步使NDIR傳感器小型化，并顯著提高光路長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是一種被稱為超材料完美吸收器（MPA）的超材料，由銅和氧化鋁的復(fù)雜分層排列制成。由于其結(jié)構(gòu)，兆帕可以吸收來自任何角度的光。為了利用這一點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)多反射電池，它通過多次反射來“折疊”紅外線。這種設(shè)計(jì)允許將大約50毫米長(zhǎng)的光吸收路徑壓縮到只有5.7×5.7×4.5毫米的空間中。

傳統(tǒng)的NDIR傳感器要求光通過幾厘米長(zhǎng)的腔體來檢測(cè)非常低濃度的氣體，而新的設(shè)計(jì)優(yōu)化了光反射，以在僅超過半厘米長(zhǎng)的腔體中實(shí)現(xiàn)相同的靈敏度水平。

一種簡(jiǎn)單、可靠、低成本的傳感器

通過使用超材料進(jìn)行有效的過濾和吸收，新的設(shè)計(jì)比現(xiàn)有的傳感器設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單和更堅(jiān)固。它的主要部件是超材料熱發(fā)射器、吸收電池和超材料熱電堆探測(cè)器。微控制器周期性地加熱熱板，使超材料熱發(fā)射器產(chǎn)生紅外光。光通過吸收池，由熱電堆檢測(cè)。然后，微控制器從熱電堆收集電子信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

一次能源需求來自加熱熱發(fā)射器所需的功率。由于熱發(fā)射器中使用的超材料效率高，該系統(tǒng)的工作溫度比以前的設(shè)計(jì)要低得多，因此每次測(cè)量所需的能量要小得多。

研究人員通過在受控大氣中測(cè)量不同濃度的二氧化碳來測(cè)試該裝置的靈敏度。他們證明，它能以23.3百萬分之一的分辨率檢測(cè)二氧化碳濃度，這一水平與商用系統(tǒng)相當(dāng)。然而，要做到這一點(diǎn)，傳感器每次測(cè)量只需要58.6毫焦耳的能量，與市售的低功率熱NDIR二氧化碳傳感器相比減少了5倍。

“我們第一次實(shí)現(xiàn)了一種集成的NDIR傳感器，它完全依賴于超材料進(jìn)行光譜過濾。將超材料技術(shù)應(yīng)用于NDIR氣體傳感可以讓我們從根本上重新考慮傳感器的光學(xué)設(shè)計(jì)，從而得到一個(gè)更緊湊、更堅(jiān)固的裝置，”Lochbaum說。