研究人员研发首个超材料制成的光学气体传感器 可测量汽车尾气等

据外媒报道，位于苏黎世的瑞士联邦理工学院的研究人员成功开发了第一个集成的非色散红外气体传感器。该传感器由通过特殊工艺合成的材料制成，无需移动部件，可以用很少的能量工作。它是历史上最小的NDIR传感器之一。

该传感器是一种理想的新型物联网和智能家居设备，可用于检测和响应环境变化，也可用于未来的医疗诊断和监测。Alexander Lochbaum是瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所的成员，也是该论文的主要作者，他说：“我们的传感器设计简单、坚固、高效。超材料的使用可以消除NDIR气体传感器的一个主要成本因素——介质滤波器。同时，它还可以减少设备的尺寸和能源消耗，从而实现汽车和消费电子产品的高产量和低成本。”。“NDIR传感器是与光学气体传感器连接最紧密的商业传感器之一，可用于评估汽车尾气、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。新型传感器体积小、成本低、能耗低，这也为其他应用开辟了新的机会传统无损检测传感器的原理是通过室内空气将红外光照射到探测器上。除了可以被特定气体分子吸收的波长外，探测器前面的滤光器可以过滤掉所有的光，因此探测器检测到的光量表明了空气中气体的浓度。尽管大多数NDIR传感器用于测量二氧化碳，但不同的过滤器可用于测量各种其他气体。近年来，工程师们用微机电系统技术取代了传统的红外光源和探测器，而微机电系统是一种连接机电信号的微型部件。在这项研究中，研究人员将超材料集成到MEMS平台中，进一步减小了NDIR传感器的尺寸，并显著增加了其光路长度。这种设计的关键在于，它使用了一种称为超材料完美吸收体的材料，MPA由铜和氧化铝组成的复杂层状结构制成。由于其层状结构，MPA可以吸收任何角度的光。为了利用这一特性，研究人员设计了一种多反射单元，可以通过多次反射红外光来“折叠”红外光，允许5.7×5×7×在4.5毫米的空间内压缩50毫米的光吸收路径。在传统的NDIR传感器中，光需要穿过几厘米长的空腔才能检测到浓度非常低的气体。然而，新的设计优化了光的反射，并且可以在半厘米长的空腔中实现同样的灵敏度。超材料可以有效地过滤和吸收光线，因此新的设计比现有的传感器设计更简单、更坚固。它的主要部件是超材料热发射器、吸收单元和超材料热电堆探测器。微控制器会定期加热加热板，使超材料热发射器能够产生红外光。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，并将数据传输到计算机。这种设计的主要能量需求来自加热散热器所需的能量。由于热发射器中使用的超材料效率很高，因此该系统的工作温度将比之前的设计低得多，因此每次测量所需的能量也更少。研究人员通过测量受控大气中不同浓度的二氧化碳来测试该设备的灵敏度，证明该系统可以检测二氧化碳浓度，并且具有23.3 ppm的噪声限制分辨率，与商业系统相当。然而，该传感器每次测量仅需要58.6焦耳的能量，这大约是商业低功率NDIR二氧化碳热传感器的5倍。

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