蘇黎世聯邦理工學院研發首款完全集成的非色

9月3日消息，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員利用一種專門設計的合成材料——超材料（metamaterial），開發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動部件，運行能耗極低，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網（IoT）和智能家居設備，用于檢測和響應環境的變化。此外，它還可以用于未來的醫療診斷、監測設備。

“我們的傳感器設計結合了簡單、堅固和高效等優點。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——介質濾光片，同時減小了器件的尺寸和能耗。”該論文第一作者、瑞士蘇黎世聯邦理工學院電磁場研究所（Institute of Electromagnetic Fields of ETH Zurich）Alexander Lochbaum說，“這些優勢使得這款傳感器可以用于汽車和消費電子等大批量、低成本市場。”

NDIR傳感器是商用市場最常見的光學氣體傳感器之一，可用于評估汽車尾氣、測量空氣質量、檢測氣體泄漏，以及支持各種醫療、工業和研究應用。該研究開發的新型傳感器體積小、成本低、能耗低，為上述應用及其他類型的應用開辟了新可能。

壓縮光學路徑

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

近年來，研究人員用MEMS技術取代了傳統的紅外光源和探測器。在這項新研究中，研究人員將超材料集成到MEMS平臺上，以進一步實現NDIR傳感器的小型化，并通過獨特的結構特性“壓縮”光學路徑。

該研究設計的核心是一種被稱為超材料完美吸收體（MPA）的超材料，由銅和氧化鋁復雜的層狀排列組成。憑借其獨特的結構，MPA可以吸收來自任何角度的光。為了利用這一特性，研究人員設計了一種多反射單元，通過多次反射紅外光來“折疊”紅外光。這種設計可將約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。

傳統的NDIR傳感器需要光通過數厘米長的腔室以檢測極低濃度的氣體，而新設計優化了光線反射，可以在大約0.5立方厘米的腔體內實現相同的靈敏度。

一種簡單、堅固且低成本的傳感器新設計

通過使用超材料進行有效的濾光和吸收，新設計比現有傳感器更簡單、更穩固。其主要元件包括超材料熱發射器、吸收單元和超材料熱電堆檢測器。通過微控制器周期性地加熱微熱板，使超材料熱發射器產生紅外光。紅外光通過吸收單元，然后由熱電堆探測。再由微控制器從熱電堆收集電信號，并將數據流傳輸到計算單元。

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

研究人員通過測量受控氣氛中不同濃度的二氧化碳，測試了這款傳感器的靈敏度。實驗證明，這款傳感器檢測二氧化碳濃度的噪音限制分辨率為23.3 ppm，與市售商用系統相當。不過，同樣的性能，這款傳感器每次測量僅需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。

“我們首次實現了完全依賴超材料進行光譜濾波的集成NDIR傳感器。將超材料技術應用于NDIR氣體傳感，使我們能夠從根本上重新思考傳感器的光學設計，從而實現更緊湊、更可靠的氣體傳感器。”Lochbaum說。

詳細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舉行的光學與激光科學前沿（FIO + LS）會議上發表。

文章來源：麥姆斯咨詢