研究人員首次開發了基于超材料的光學氣體傳感器

研究人員首次開發了第一個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（稱為超材料）制成的。該傳感器在整體結構上沒有運動部件，運行所需能量很小，是有史以來最小的NDIR氣體傳感器之一。

該傳感器非常適合新的物聯網和智能家居設備，用于檢測和響應環境變化。它還可以用于未來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與激光科學前沿會議（FIO+LS）上進行發表。

這種氣體傳感器設計單元簡單、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因素之一，同時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，如汽車和消費電子產品。

NDIR氣體傳感器是商業上最相關的光學氣體傳感器類型之一，用于評估車輛排氣、測量空氣質量、檢測氣體泄漏并支持各種醫療、工業和研究應用。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型的應用提供了新的機會。

縮小光路

傳統的NDIR氣體傳感器工作原理是通過室內的空氣發出紅外線，直到到達探測器。位于探測器前面的光學濾光片消除了除特定氣體分子吸收的波長以外的所有光，因此進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，但不同的光學過濾器可用于測量各種其他氣體。

近年來，工程師們用微電子機械系統（MEMS）技術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，進一步使NDIR傳感器小型化，并顯著提高光路長度。

設計的關鍵是一種被稱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，兆帕可以吸收來自任何角度的光。為了利用這一點，研究人員設計了一個多反射電池，它通過多次反射來折疊紅外線。這種設計允許將大約50毫米長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傳感器要求光通過幾厘米長的腔體來檢測非常低濃度的氣體，而新的設計優化了光反射，以在僅超過半厘米長的腔體中實現相同的靈敏度水平。

一種簡單、可靠、低成本的氣體傳感器

通過使用超材料進行有效的過濾和吸收，新的設計比現有的傳感器設計更簡單和更堅固。它的主要部件是超材料熱發射器、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，使超材料熱發射器產生紅外光。光通過吸收池，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。

一次能源需求來自加熱熱發射器所需的功率。由于熱發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。

研究人員通過在受控大氣中測量不同濃度的二氧化碳來測試該裝置的靈敏度。他們證明，它能以23.3百萬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，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：“我們第一次實現了一種集成的NDIR傳感器，它完全依賴于超材料進行光譜過濾。將超材料技術應用于NDIR氣體傳感可以讓我們從根本上重新考慮傳感器的光學設計，從而得到一個更緊湊、更堅固的裝置。”

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