非分散红外（NDIR）气体传感器开发成功

苏黎世联邦理工大学研究人员开发了第一个完全集成的非分散红外（NDIR）气体传感器，该传感器由特殊工程合成材料（称为超材料）实现。该传感器没有运动部件，运行所需能量很小，是有史以来最小的NDIR传感器之一。

传感器非常适合新的物联网和智能家居设备，用于检测和响应环境变化。它还可以用于未来的医疗诊断和监测设备。

这项研究将于近日在美国华盛顿举行的光学与激光科学前沿会议（FIO+LS）上进行发表。

“我们的传感器设计单元简单、坚固、高效。使用超材料，我们可以省去NDIR气体传感器、介电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大学电磁场研究所的Alexander Lochbaum说，他也是作者之一。“这使得传感器适用于高容量、低成本市场，如汽车和消费电子产品。”

上图是这种新型微型超材料光学气体传感器（金色）与一分钱硬币的尺寸对比。来源：苏黎世联邦理工大学。

NDIR传感器是商业上最相关的光学气体传感器类型之一，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。这种新型传感器体积小，成本低，能耗低，为这些应用和其他类型的应用提供了新的机会。

缩小光路

传统的NDIR传感器工作原理是通过室内的空气发出红外线，直到到达探测器。位于探测器前面的光学滤光片消除了除特定气体分子吸收的波长以外的所有光，因此进入探测器的光的数量表明空气中该气体的浓度。虽然大多数NDIR传感器测量二氧化碳，但不同的光学过滤器可用于测量各种其他气体。

近年来，工程师们用微电子机械系统（MEMS）技术取代了传统的红外光源和探测器，这是一种连接机械和电信号的微型元件。在这项新的工作中，研究人员将超材料集成到MEMS平台上，进一步使NDIR传感器小型化，并显着提高光路长度。

设计的关键是一种被称为超材料完美吸收器（MPA）的超材料，由铜和氧化铝的复杂分层排列制成。由于其结构，兆帕可以吸收来自任何角度的光。为了利用这一点，研究人员设计了一个多反射电池，它通过多次反射来“折叠”红外线。这种设计允许将大约50毫米长的光吸收路径压缩到只有5.7×5.7×4.5毫米的空间中。

传统的NDIR传感器要求光通过几厘米长的腔体来检测非常低浓度的气体，而新的设计优化了光反射，以在仅超过半厘米长的腔体中实现相同的灵敏度水平。

一种简单、可靠、低成本的传感器

通过使用超材料进行有效的过滤和吸收，新的设计比现有的传感器设计更简单和更坚固。它的主要部件是超材料热发射器、吸收电池和超材料热电堆探测器。微控制器周期性地加热热板，使超材料热发射器产生红外光。光通过吸收池，由热电堆检测。然后，微控制器从热电堆收集电子信号，并将数据传输到计算机。

一次能源需求来自加热热发射器所需的功率。由于热发射器中使用的超材料效率高，该系统的工作温度比以前的设计要低得多，因此每次测量所需的能量要小得多。

研究人员通过在受控大气中测量不同浓度的二氧化碳来测试该装置的灵敏度。他们证明，它能以23.3百万分之一的分辨率检测二氧化碳浓度，这一水平与商用系统相当。然而，要做到这一点，传感器每次测量只需要58.6毫焦耳的能量，与市售的低功率热NDIR二氧化碳传感器相比减少了5倍。

“我们第一次实现了一种集成的NDIR传感器，它完全依赖于超材料进行光谱过滤。将超材料技术应用于NDIR气体传感可以让我们从根本上重新考虑传感器的光学设计，从而得到一个更紧凑、更坚固的装置，”Lochbaum说。