超材料结合MEMS,使得光学气体传感器更小更强更经济

麦姆斯咨询殷飞 MEMS 2019-09-03

微型全超材料光学气体传感器(金色封装),旁边为一美分硬币


据麦姆斯咨询报道,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员利用一种专门设计的合成材料——超材料(metamaterial),开发出了第一款完全集成的非色散红外(NDIR)气体传感器。这款气体传感器没有任何运动部件,运行能耗极低,是有史以来最小的NDIR传感器之一。


这款传感器非常适用于新的物联网(IoT)和智能家居设备,用于检测和响应环境的变化。此外,它还可以用于未来的医疗诊断、监测设备。


“我们的传感器设计结合了简单、坚固和高效等优点。通过采用超材料,我们省去了NDIR气体传感器中的成本大头之一——介质滤光片,同时减小了器件的尺寸和能耗。”该论文第一作者、瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所(Institute of Electromagnetic Fields of ETH Zurich)Alexander Lochbaum说,“这些优势使得这款传感器可以用于汽车和消费电子等大批量、低成本市场。”


NDIR传感器是商用市场最常见的光学气体传感器之一,可用于评估汽车尾气、测量空气质量、检测气体泄漏,以及支持各种医疗、工业和研究应用。该研究开发的新型传感器体积小、成本低、能耗低,为上述应用及其他类型的应用开辟了新可能。


压缩光学路径


传统的NDIR传感器通过发射红外光,穿过腔室照射到探测器来工作。位于探测器前方的光学滤光片滤除了特定气体分子吸收波长以外的所有光,通过进入探测器的光量来计算该气体在空气中的浓度。大多数NDIR传感器都用来测量二氧化碳,也可以利用不同的滤光片测量各种其他气体。


近年来,研究人员用MEMS技术取代了传统的红外光源和探测器。在这项新研究中,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,并通过独特的结构特性“压缩”光学路径。


该研究设计的核心是一种被称为超材料完美吸收体(MPA)的超材料,由铜和氧化铝复杂的层状排列组成。凭借其独特的结构,MPA可以吸收来自任何角度的光。为了利用这一特性,研究人员设计了一种多反射单元,通过多次反射红外光来“折叠”红外光。这种设计可将约50 mm长的光吸收路径压缩到仅5.7mm x 5.7mm x 4.5 mm的空间内。


传统的NDIR传感器需要光通过数厘米长的腔室以检测极低浓度的气体,而新设计优化了光线反射,可以在大约0.5立方厘米的腔体内实现相同的灵敏度。


一种简单、坚固且低成本的传感器新设计


通过使用超材料进行有效的滤光和吸收,新设计比现有传感器更简单、更稳固。其主要元件包括超材料热发射器、吸收单元和超材料热电堆检测器。通过微控制器周期性地加热微热板,使超材料热发射器产生红外光。红外光通过吸收单元,然后由热电堆探测。再由微控制器从热电堆收集电信号,并将数据流传输到计算单元。


这款传感器的能耗主要源自加热热发射器。不过,得益于热发射器中采用的超材料的高效率,相比过去的传统设计,该系统可以在低得多的温度下工作,因此每次测量所需要的能耗更低。


研究人员通过测量受控气氛中不同浓度的二氧化碳,测试了这款传感器的灵敏度。实验证明,这款传感器检测二氧化碳浓度的噪音限制分辨率为23.3 ppm,与市售商用系统相当。不过,同样的性能,这款传感器每次测量仅需58.6 mJ(毫焦耳)的能量,与市售低功耗NDIR二氧化碳传感器相比减少了约五倍。


“我们首次实现了完全依赖超材料进行光谱滤波的集成NDIR传感器。将超材料技术应用于NDIR气体传感,使我们能够从根本上重新思考传感器的光学设计,从而实现更紧凑、更可靠的气体传感器。”Lochbaum说。


详细介绍该研究成果的论文将于9月15~19日在美国华盛顿特区举行的光学与激光科学前沿(FIO + LS)会议上发表。


延伸阅读:

《气体和颗粒物传感器-2018版》

《非制冷红外成像仪和探测器技术及市场趋势-2019版》

《微型气体传感器专利全景分析-2018版》


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