微型全元材料光學氣體傳感器（金色膠囊），旁邊是一美分硬幣。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學院亞歷山大·洛奇鮑姆（Alexander Lochbaum）

研究人員已經(jīng)開發(fā)出第一個完全集成的，非分散紅外（NDIR）氣體傳感器，該傳感器由經(jīng)過特殊設計的合成材料（稱為超材料）實現(xiàn)。該傳感器沒有活動部件，需要的能量很少，并且是有史以來最小的NDIR傳感器之一。

該傳感器非常適合用于新型物聯(lián)網(wǎng)和旨在檢測和響應環(huán)境變化的智能家居設備。它還可以在將來的醫(yī)療診斷和監(jiān)視設備中找到用途。

解釋這些結(jié)果的論文將在9月15日至19日在美國華盛頓特區(qū)舉行的光學與激光科學前沿（FIO + LS）會議上發(fā)表。

“我們的傳感器設計將簡單性，堅固性和效率結(jié)合在一起。使用超材料，我們可以省去NDIR氣體傳感器的主要成本驅(qū)動因素之一，即介電濾波器，并同時減小設備的尺寸和能耗，” Alexander Lochbaum說道。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院電磁場研究所，論文的主要作者。“這使傳感器適用于大批量，低成本市場，例如汽車和消費電子產(chǎn)品。”

NDIR傳感器是商業(yè)上最相關的光學氣體傳感器之一，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)和研究應用。新傳感器的小尺寸，潛在的低成本以及降低的能源需求為這些和其他類型的應用提供了新的機遇。

縮小光路

常規(guī)NDIR傳感器的工作原理是使紅外光穿過室內(nèi)的空氣，直至到達檢測器。位于檢測器前面的光學濾光器可消除所有光，但特定氣體分子吸收的波長除外，因此進入檢測器的光量表明該氣體在空氣中的濃度。盡管大多數(shù)NDIR傳感器可測量二氧化碳，但可以使用不同的光學濾光片測量多種其他氣體。

近年來，工程師已用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術取代了傳統(tǒng)的紅外光源和檢測器，該技術是在機械和電信號之間架起橋梁的微型組件。在這項新工作中，研究人員將超材料集成到MEMS平臺上，以進一步使NDIR傳感器小型化并顯著增加光程長度。

設計的關鍵是一種超材料，稱為超材料完美吸收體（MPA），由銅和氧化鋁的復雜分層結(jié)構(gòu)制成。由于其結(jié)構(gòu)，MPA可以吸收來自任何角度的光。為了利用這一優(yōu)勢，研究人員設計了一種多反射單元，通過反射多次紅外線來“折疊”紅外光。這種設計允許將大約50毫米長的光吸收路徑壓縮到僅5.7×5.7×4.5毫米的空間中。

傳統(tǒng)的NDIR傳感器需要光線穿過幾厘米長的腔室才能檢測到極低濃度的氣體，而新設計優(yōu)化了光反射，以在剛好超過半厘米??長的腔體中實現(xiàn)相同水平的靈敏度。

簡單，堅固，低成本的傳感器

通過使用超材料進行有效的過濾和吸收，新設計比現(xiàn)有傳感器設計既簡單又堅固。它的主要部分是超材料熱發(fā)射器，吸收池和超材料熱電堆檢測器。微控制器定期加熱加熱板，使超材料熱發(fā)射器產(chǎn)生紅外光。光穿過吸收池并被熱電堆檢測到。然后，微控制器從熱電堆收集電子信號，并將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)接嬎銠C。

主要能量需求來自加熱散熱器的功率。由于在熱輻射器中使用的超材料的高效性，該系統(tǒng)在比以前的設計低得多的溫度下工作，因此每次測量所需的能量更少。

研究人員通過在受控氣氛中測量設備中不同濃度的二氧化碳來測試設備的靈敏度。他們證明了它可以檢測到二氧化碳濃度，其噪聲極限分辨率為百萬分之23.3，這一水平與市售系統(tǒng)相當。但是，為此，該傳感器每次測量僅需要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，大約減少了五倍。

“我們首次實現(xiàn)了一種完全依靠超材料進行光譜過濾的集成NDIR傳感器。將超材料技術應用于NDIR氣體傳感可以使我們從根本上重新考慮傳感器的光學設計，從而使設備更緊湊，更堅固�！甭搴挣U姆說。