由超材料组成的光学气体传感器有望为物联网带来益处张楚格

由超材料组成的光学气体传感器有望为物联网带来益处

研究人员开发出第一种完全集成的非分散红外气体传感器，该传感器由称为超材料的工程合成材料组成。据报道，该传感器没有活动部件，操作所需的能量很少，是有史以来最小的NDIR传感器之一。

该传感器的目标是物联网应用和智能家居设备，以检测和响应环境变化其他潜在的应用包括未来的医疗诊断和监测设备。

“我们的传感器设计将简单性，坚固性和效率结合在一起。使用超材料，我们可以省略NDIR气体传感器，介质滤波器的主要成本驱动因素之一，同时减少设备的尺寸和能耗，“瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所的Alexander Lochbaum说道，文章的第一作者，在一份声明中。“这使传感器可用于汽车和消费电子等大批量，低成本市场。”

NDIR传感器通常用于评估车辆排气，测量空气质量，检测气体泄漏并支持各种医疗，工业和研究应用。传统的NDIR传感器通过在腔室中通过空气照射红外光直到其到达检测器来工作。位于探测器前方的滤光器消除了除特定气体分子吸收的波长之外的所有光，因此进入探测器的光量表明该气体在空气中的浓度。

近年来，工程师用微机电系统技术取代了传统的红外光源和探测器。在新传感器中，研究人员将超材料集成到MEMS平台上，以进一步实现NDIR传感器的小型化，并显着增强光程长度。

设计的关键是一种超材料，称为超材料完美吸收体，由复杂的铜和氧化铝层状排列组成。由于其结构，MPA可以吸收来自任何角度的光。研究人员设计了一种多反射单元，通过多次反射红外光来“折叠”红外光。这种设计允许将约50毫米长的光吸收路径挤压到仅5.7×5.7×4.5mm的空间中。

传统的NDIR传感器需要光线通过几厘米长的腔室来检测极低浓度的气体，而新设计优化了光线反射，以便在半个半厘米长的腔体中达到相同的灵敏度水平。

超材料的使用简化了传感器的设计。主要部件是超材料热发射器，吸收单元和超材料热电堆检测器。微控制器周期性地加热加热板，使超材料热发射器产生红外光，该红外光穿过吸收单元并被热电堆检测到。然后微控制器从热电堆收集电子信号并将数据流传输到计算机。

研究人员使用它来测量受控气氛中不同浓度的二氧化碳，测试了该设备的灵敏度。他们证明，它可以检测二氧化碳浓度，其噪音限制分辨率为23.3份，与商用系统相当。传感器每次测量仅需要58.6毫焦耳的能量，据报道与市售的低功率热NDIR二氧化碳传感器相比减少了约五倍。

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