蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)首款完全集成的非色散紅外氣體傳感器

分類：行業(yè)動(dòng)態(tài) 1243人瀏覽 2019-09-04

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9月3日消息，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員利用一種專門設(shè)計(jì)的合成材料——超材料（metamaterial），開發(fā)出了第一款完全集成的非色散紅外（NDIR）氣體傳感器。這款氣體傳感器沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行能耗極低，是有史以來最小的NDIR傳感器之一。這款傳感器非常適用于新的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能家居設(shè)備，用于檢測(cè)和響應(yīng)環(huán)境的變化。此外，它還可以用于未來的醫(yī)療診斷、監(jiān)測(cè)設(shè)備。

“我們的傳感器設(shè)計(jì)結(jié)合了簡(jiǎn)單、堅(jiān)固和高效等優(yōu)點(diǎn)。通過采用超材料，我們省去了NDIR氣體傳感器中的成本大頭之一——介質(zhì)濾光片，同時(shí)減小了器件的尺寸和能耗?！痹撜撐牡谝蛔髡?、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院電磁場(chǎng)研究所（Institute of ElectroMAGNETic Fields of ETH Zurich）Alexander Lochbaum說，“這些優(yōu)勢(shì)使得這款傳感器可以用于汽車和消費(fèi)電子等大批量、低成本市場(chǎng)?！?/span>

NDIR傳感器是商用市場(chǎng)最常見的光學(xué)氣體傳感器之一，可用于評(píng)估汽車尾氣、測(cè)量空氣質(zhì)量、檢測(cè)氣體泄漏，以及支持各種醫(yī)療、工業(yè)和研究應(yīng)用。該研究開發(fā)的新型傳感器體積小、成本低、能耗低，為上述應(yīng)用及其他類型的應(yīng)用開辟了新可能。

壓縮光學(xué)路徑

傳統(tǒng)的NDIR傳感器通過發(fā)射紅外光，穿過腔室照射到探測(cè)器來工作。位于探測(cè)器前方的光學(xué)濾光片濾除了特定氣體分子吸收波長以外的所有光，通過進(jìn)入探測(cè)器的光量來計(jì)算該氣體在空氣中的濃度。大多數(shù)NDIR傳感器都用來測(cè)量二氧化碳，也可以利用不同的濾光片測(cè)量各種其他氣體。

近年來，研究人員用MEMS技術(shù)取代了傳統(tǒng)的紅外光源和探測(cè)器。在這項(xiàng)新研究中，研究人員將超材料集成到MEMS平臺(tái)上，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)NDIR傳感器的小型化，并通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性“壓縮”光學(xué)路徑。

該研究設(shè)計(jì)的核心是一種被稱為超材料完美吸收體（MPA）的超材料，由銅和氧化鋁復(fù)雜的層狀排列組成。憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，MPA可以吸收來自任何角度的光。為了利用這一特性，研究人員設(shè)計(jì)了一種多反射單元，通過多次反射紅外光來“折疊”紅外光。這種設(shè)計(jì)可將約50 mm長的光吸收路徑壓縮到僅5.7mm x 5.7mm x 4.5 mm的空間內(nèi)。

傳統(tǒng)的NDIR傳感器需要光通過數(shù)厘米長的腔室以檢測(cè)極低濃度的氣體，而新設(shè)計(jì)優(yōu)化了光線反射，可以在大約0.5立方厘米的腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的靈敏度。

一種簡(jiǎn)單、堅(jiān)固且低成本的傳感器新設(shè)計(jì)

通過使用超材料進(jìn)行有效的濾光和吸收，新設(shè)計(jì)比現(xiàn)有傳感器更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)固。其主要元件包括超材料熱發(fā)射器、吸收單元和超材料熱電堆檢測(cè)器。通過微控制器周期性地加熱微熱板，使超材料熱發(fā)射器產(chǎn)生紅外光。紅外光通過吸收單元，然后由熱電堆探測(cè)。再由微控制器從熱電堆收集電信號(hào)，并將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)接?jì)算單元。

這款傳感器的能耗主要源自加熱熱發(fā)射器。不過，得益于熱發(fā)射器中采用的超材料的高效率，相比過去的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以在低得多的溫度下工作，因此每次測(cè)量所需要的能耗更低。

研究人員通過測(cè)量受控氣氛中不同濃度的二氧化碳，測(cè)試了這款傳感器的靈敏度。實(shí)驗(yàn)證明，這款傳感器檢測(cè)二氧化碳濃度的噪音限制分辨率為23.3 ppm，與市售商用系統(tǒng)相當(dāng)。不過，同樣的性能，這款傳感器每次測(cè)量?jī)H需58.6 mJ（毫焦耳）的能量，與市售低功耗NDIR二氧化碳傳感器相比減少了約五倍。

“我們首次實(shí)現(xiàn)了完全依賴超材料進(jìn)行光譜濾波的集成NDIR傳感器。將超材料技術(shù)應(yīng)用于NDIR氣體傳感，使我們能夠從根本上重新思考傳感器的光學(xué)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更可靠的氣體傳感器。”Lochbaum說。

詳細(xì)介紹該研究成果的論文將于9月15——19日在美國華盛頓特區(qū)舉行的光學(xué)與激光科學(xué)前沿（FIO + LS）會(huì)議上發(fā)表。

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