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

据国外媒体报道，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员成功开发出第一个集成的非分散红外(NDIR)气体传感器。该传感器由一种特殊的合成材料(超材料)制成，没有移动部件，需要很少的能量来运行。这是历史上最小的NDIR传感器之一。

(图片来源:苏黎世联邦理工学院)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的变化，未来还可用于医疗诊断和监测。瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所成员、论文第一作者Alexander Lochbaum表示:“我们的传感器设计简单、耐用、高效，使用超材料可以消除NDIR气体传感器中的一个主要成本因素——电介质过滤器。同时，它们可以降低设备的尺寸和能耗，实现汽车和消费电子产品的高产量和低成本应用。”NDIR传感器是与光学气体传感器联系最紧密的商用传感器之一，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。新型传感器尺寸小、成本低、能耗低，为其他应用开辟了新的机遇。传统NDIR传感器的工作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，探测器前面的滤光片可以过滤掉所有的光。因此，检测器检测到的光量表明了空气中气体的浓度。虽然大多数NDIR传感器用于测量二氧化碳，但不同的过滤器也可用于测量各种其他气体。近年来，工程师们用微机电系统(MEMS)技术取代了传统的红外光源和探测器，MEMS是一种连接机电信号的微型元件。在这项研究中，研究人员将超材料集成到MEMS平台上，进一步减小了NDIR传感器的尺寸，并显著增加了其光路长度。这种设计的关键是使用一种叫做超材料完美吸收器(MPA)的材料，这种材料由铜和氧化铝的复杂分层结构制成。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重反射单元，可以通过多次反射来“折叠”红外光，使其存储在5.7×5.7×4.5毫米的空间中，压缩50毫米长的光吸收路径。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，使半厘米长的空腔也能达到同样的灵敏度。超材料可以有效地过滤和吸收光线，使新的设计比现有的传感器设计更简单、更坚固。它的主要组件是超材料热发射器、吸收单元和超材料热电堆探测器。微控制器周期性地加热加热板，使超材料热发射器产生红外光。光穿过吸收单元并被热电堆检测到。微控制器然后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。由于散热器中使用的超材料的高效率，该系统的工作温度将比以前的设计低得多，因此每次测量所需的能量更少。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，这比商用低功率NDIR二氧化碳热传感器大约少五倍。

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