研究人員首次開(kāi)發(fā)了基于超材料的光學(xué)氣體傳感器

研究人員首次開(kāi)發(fā)了第一個(gè)完全集成的非分散紅外（NDIR）氣體傳感器，該氣體傳感器是由特殊工程合成材料（稱(chēng)為超材料）制成的。該傳感器在整體結構上沒(méi)有運動(dòng)部件，運行所需能量很小，是有史以來(lái)最小的NDIR氣體傳感器之一。

該傳感器非常適合新的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居設備，用于檢測和響應環(huán)境變化。它還可以用于未來(lái)的醫療診斷和監測設備。

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(huì )議（FIO+LS）上進(jìn)行發(fā)表。

這種氣體傳感器設計單元簡(jiǎn)單、堅固、高效。使用超材料，可以省去NDIR氣體傳感器、介電濾波器的主要成本驅動(dòng)因素之一，同時(shí)減少設備的尺寸和能耗，這使得傳感器適用于高容量、低成本市場(chǎng)，如汽車(chē)和消費電子產(chǎn)品。

NDIR氣體傳感器是商業(yè)上最相關(guān)的光學(xué)氣體傳感器類(lèi)型之一，用于評估車(chē)輛排氣、測量空氣質(zhì)量、檢測氣體泄漏并支持各種醫療、工業(yè)和研究應用。這種新型傳感器體積小，成本低，能耗低，為這些應用和其他類(lèi)型的應用提供了新的機會(huì )。

縮小光路

傳統的NDIR氣體傳感器工作原理是通過(guò)室內的空氣發(fā)出紅外線(xiàn)，直到到達探測器。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(cháng)以外的所有光，因此進(jìn)入探測器的光的數量表明空氣中該氣體的濃度。雖然大多數NDIR傳感器測量二氧化碳，但不同的光學(xué)過(guò)濾器可用于測量各種其他氣體。

近年來(lái)，工程師們用微電子機械系統（MEMS）技術(shù)取代了傳統的紅外光源和探測器，這是一種連接機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(zhù)提高光路長(cháng)度。

設計的關(guān)鍵是一種被稱(chēng)為超材料完美吸收器（MPA）的超材料，由銅和氧化鋁的復雜分層排列制成。由于其結構，兆帕可以吸收來(lái)自任何角度的光。為了利用這一點(diǎn)，研究人員設計了一個(gè)多反射電池，它通過(guò)多次反射來(lái)折疊紅外線(xiàn)。這種設計允許將大約50毫米長(cháng)的光吸收路徑壓縮到只有5.7×5.7×4.5毫米的空間中。

傳統的NDIR傳感器要求光通過(guò)幾厘米長(cháng)的腔體來(lái)檢測非常低濃度的氣體，而新的設計優(yōu)化了光反射，以在僅超過(guò)半厘米長(cháng)的腔體中實(shí)現相同的靈敏度水平。

一種簡(jiǎn)單、可靠、低成本的氣體傳感器

通過(guò)使用超材料進(jìn)行有效的過(guò)濾和吸收，新的設計比現有的傳感器設計更簡(jiǎn)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(guò)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，并將數據傳輸到計算機。

一次能源需求來(lái)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，該系統的工作溫度比以前的設計要低得多，因此每次測量所需的能量要小得多。

研究人員通過(guò)在受控大氣中測量不同濃度的二氧化碳來(lái)測試該裝置的靈敏度。他們證明，它能以23.3百萬(wàn)分之一的分辨率檢測二氧化碳濃度，這一水平與商用系統相當。然而，要做到這一點(diǎn)，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。

研究人員說(shuō)：“我們第一次實(shí)現了一種集成的NDIR傳感器，它完全依賴(lài)于超材料進(jìn)行光譜過(guò)濾。將超材料技術(shù)應用于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)設計，從而得到一個(gè)更緊湊、更堅固的裝置?！?/p>

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