非分散紅外（NDIR）氣體傳感器開發(fā)成功

蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)研究人員開發(fā)了第一個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）實現(xiàn)。該傳感器沒有運動部件，運行所需能量很小，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)測設(shè)備。

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

“我們的傳感器設(shè)計單元簡單、堅固、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)動因素之一，同時減少設(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，如汽車和消費電子產(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，用于評估車輛排氣、測量空氣質(zhì)量、檢測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。

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)探測器。位于探測器前面的光學(xué)濾光片消除了除特定氣體分子吸收的波長以外的所有光，因此進(jìn)入探測器的光的數(shù)量表明空氣中該氣體的濃度。雖然大多數(shù)NDIR傳感器測量二氧化碳，但不同的光學(xué)過濾器可用于測量各種其他氣體。

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)的紅外光源和探測器，這是一種連接機(jī)械和電信號的微型元件。在這項新的工作中，研究人員將超材料集成到MEMS平臺上，進(jìn)一步使NDIR傳感器小型化，并顯著提高光路長度。

設(shè)計的關(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，研究人員設(shè)計了一個多反射電池，它通過多次反射來“折疊”紅外線。這種設(shè)計允許將大約50毫米長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的腔體來檢測非常低濃度的氣體，而新的設(shè)計優(yōu)化了光反射，以在僅超過半厘米長的腔體中實現(xiàn)相同的靈敏度水平。

一種簡單、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)計比現(xiàn)有的傳感器設(shè)計更簡單和更堅固。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。然后，微控制器從熱電堆收集電子信號，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(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)計要低得多，因此每次測量所需的能量要小得多。

研究人員通過在受控大氣中測量不同濃度的二氧化碳來測試該裝置的靈敏度。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，傳感器每次測量只需要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，從而得到一個更緊湊、更堅固的裝置，”Lochbaum說。