微型全元材料光學(xué)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(xué)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(shè)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(yīng)環(huán)境變化的智能家居設(shè)備。它還可以在將來的醫(yī)療診斷和監(jiān)視設(shè)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(xué)與激光科學(xué)前沿（FIO + LS）會議上發(fā)表。

“我們的傳感器設(shè)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(shè)備的尺寸和能耗，” Alexander Lochbaum說道。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院電磁場研究所，論文的主要作者�！斑@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(guān)的光學(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(xué)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(shù)取代了傳統(tǒng)的紅外光源和檢測器，該技術(shù)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(shè)計的關(guān)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(fù)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計比現(xiàn)有傳感器設(shè)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(shè)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(shè)備中不同濃度的二氧化碳來測試設(shè)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(dāng)。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(shù)應(yīng)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(xué)設(shè)計，從而使設(shè)備更緊湊，更堅固。”洛赫鮑姆說。